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IGBT原理要点Word格式.docx
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输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制,Ugs越高,Id越大。
它与GTR的输出特性相似.也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。
在截止状态下的IGBT,正向电压由J2结承担,反向电压由J1结承担。
如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT的某些应用范围。
IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。
它与MOSFET的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时,IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内,Id与Ugs呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。
IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。
IGBT处于导通态时,由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管,所以其B值极低。
尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。
此时,通态电压Uds(on)可用下式表示
Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh
式中Uj1——JI结的正向电压,其值为0.7~1V;
Udr——扩展电阻Rdr上的压降;
Roh——沟道电阻。
通态电流Ids可用下式表示:
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos——流过MOSFET的电流。
由于N+区存在电导调制效应,所以IGBT的通态压降小,耐压1000V的IGBT通态压降为2~3V。
IGBT处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。
2.动态特性
IGBT在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET来运行的,只是在漏源电压Uds下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。
td(on)为开通延迟时间,tri为电流上升时间。
实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)tri之和。
漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。
IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。
当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:
器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。
因为IGBT栅极-发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行触发,不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。
IGBT在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。
因为MOSFET关断后,PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟时间,trv为电压Uds(f)的上升时间。
实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间
t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中,td(off)与trv之和又称为存储时间。
IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR。
IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。
IGBT的开启电压约3~4V,和MOSFET相当。
IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低。
正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求;
高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV以上,目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。
国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件,德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域。
与此同时,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。
IGBT的发展历史
1979年,MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。
这种器件表现为一个类晶闸管的结构(P-N-P-N四层组成),其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。
80年代初期,用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来。
[2]在那个时候,硅芯片的结构是一种较厚的NPT(非穿通)型设计。
后来,通过采用PT(穿通)型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进,这是随着硅片上外延的技术进步,以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。
几年当中,这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构,其设计规则从5微米先进到3微米。
90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT,它是采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺,但仍然是穿通(PT)型芯片结构。
[4]在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。
硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变,先是采用非穿通(NPT)结构,继而变化成弱穿通(LPT)结构,这就使安全工作区(SOA)得到同表面栅结构演变类似的改善。
这次从穿通(PT)型技术先进到非穿通(NPT)型技术,是最基本的,也是很重大的概念变化。
这就是:
穿通(PT)技术会有比较高的载流子注入系数,而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。
另一方面,非穿通(NPT)技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率,不过其载流子注入系数却比较低。
进而言之,非穿通(NPT)技术又被软穿通(LPT)技术所代替,它类似于某些人所谓的“软穿通”(SPT)或“电场截止”(FS)型技术,这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。
1996年,CSTBT(载流子储存的沟槽栅双极晶体管)使第5代IGBT模块得以实现[6],它采用了弱穿通(LPT)芯片结构,又采用了更先进的宽元胞间距的设计。
目前,包括一种“反向阻断型”(逆阻型)功能或一种“反向导通型”(逆导型)功能的IGBT器件的新概念正在进行研究,以求得进一步优化。
IGBT功率模块采用IC驱动,各种驱动保护电路,高性能IGBT芯片,新型封装技术,从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。
PIM向高压大电流发展,其产品水平为1200—1800A/1800—3300V,IPM除用于变频调速外,600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。
平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB,用于舰艇上的导弹发射装置。
IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB,大大降低电路接线电感,提高系统效率,现已开发成功第二代IPEM,其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。
智能化、模块化成为IGBT发展热点。
现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。
根据前面描述的IGBT的工作原理,可以得到如图所示的IGBT输出特性。
(a)IGBT的输出特性(n沟道增强型)(b)转移特性IC=f(VCE)
IGBT简介
1.IGBT的基本结构绝缘栅双极晶体管(IGBT)本质上是一个场效应晶体管,只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。
根据国际电工委员会的文件建议,其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。
图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构,N+区称为源区,附于其上的电极称为源极。
N+区称为漏区。
在漏、源之间的P型区(包括P+和P一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区(Subchannel
region)。
而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Draininjector),它是IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。
为了兼顾长期以来人们的习惯,IEC规定:
源极引出的电极端子(含电极端)称为发射极端(子),漏极引出的电极端(子)称为集电极端(子)。
这又回到双极晶体管的术语了。
但仅此而已。
IGBT的结构剖面图如图2所示。
它在结构上类似于MOSFET,其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板(漏极)上增加了一个P+基板(IGBT的集电极),形成PN结j1,并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。
图1N沟道IGBT结构图2IGBT的结构剖面图由图2可以看出,IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR,其简化等效电路如图3所示。
图中Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。
IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。
N沟道IGBT的图形符号有两种,如图4所示。
实际应用时,常使用图2-5所示的符号。
对于P沟道,图形符号中的箭头方向恰好相反,如图4所示。
图3图4图5IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。
当栅极加正电压时,MOSFET内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通,此时,从P+区注到N一区进行电导调制,减少N一区的电阻Rdr值,使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。
在栅极上加负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT即关断。
正是由于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板,形成了四层结构,由PNP-NPN晶体管构成IGBT。
但是,NPN晶体管和发射极由于铝电极短路,设计时尽可能使NPN不起作用。
所以说,IGBT的基本工作与NPN晶体管无关,可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极,PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。
采取这样的结构可在N一层作电导率调制,提高电流密度。
这是因为从P+基板经过N+层向高电阻的N一层注入少量载流子的结果。
IGBT的设计是通过PNP-NPN晶体管的连接形成晶闸管。
2.IGBT模块的术语及其特性术语说明术语
符号
定义及说明(测定条件参改说明书)
集电极、发射极间电压
VCES栅极、发射极间短路时的集电极,发射极间的最大电压栅极发极间电压
VGES集电极、发射极间短路时的栅极,发射极间最大电压集电极电流
IC集电极所允许的最大直流电流耗散功率
PC单个IGBT所允许的最大耗散功率结温
Tj元件连续工作时芯片温厦关断电流
ICES栅极、发射极间短路,在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。
漏电流
IGES集电极、发射极间短路,在栅极、集电极间加上指定的电压时的栅极漏电流饱和压降
VCE(sat)在指定的集电极电流和栅极电压的情况下,集电极、发射极间的电压。
输入电容
Clss集电极、发射极间处于交流短路状态,在栅极、发射极间及集电极、发射极间加上指定电压时,栅极、发射极间的电容三.IGBT模块使用上的注意事项1.IGBT模块的选定在使用IGBT模块的场合,选择何种电压,电流规格的IGBT模块,需要做周密的考虑。
a.电流规格IGBT模块的集电极电流增大时,VCE(-)上升,所产生的额定损耗亦变大。
同时,开关损耗增大,原件发热加剧。
因此,根据额定损耗,开关损耗所产生的热量,控制器件结温(Tj)在150oC以下(通常为安全起见,以125oC以下为宜),请使用这时的集电流以下为宜。
特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热也加剧,需十分注意。
一般来说,要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用,从经济角度这是值得推荐的。
b.电压规格IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即市电电源电压紧密相关。
其相互关系列于表1。
根据使用目的,并参考本表,请选择相应的元件。
元器件电压规格600V1200V
1400V
电源电压
200V;
220V;
230V;
240V346V;
350V;
380V;
400V;
415V;
440V;
575V
2.防止静电IGBT的VGE的耐压值为±
20V,在IGBT模块上加出了超出耐压值的电压的场合,由于会导致损坏的危险,因而在栅极-发射极之间不能超出耐压值的电压,这点请注意。
在使用装置的场合,如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时(珊极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止这类损坏情况发生,应在栅极一发射极之间接一只10kΩ左左的电阻为宜。
此外,由于IGBT模块为MOS结构,对于静电就要十分注意。
因此,请注意下面几点:
1)在使用模块时,手持分装件时,请勿触摸驱动端子部份。
2)在用导电材料连接驱动端子的模块时,在配线未布好之前,请先不要接上模块。
3)尽量在底板良好接地的情况下操作。
4)当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电放电后,再触摸。
5)在焊接作业时,焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生,为了防止静电的产生,请先将焊机处于良好的接地状态下。
6)装部件的容器,请选用不带静电的容器。
3.并联问题用于大容量逆变器等控制大电流场合使用IGBT模块时,可以使用多个器件并联。
并联时,要使每个器件流过均等的电流是非常重要的,如果一旦电流平衡达到破坏,那么电过于集中的那个器件将可能被损坏。
为使并联时电流能平衡,适当改变器件的特性及接线方法。
例如。
挑选器件的VCE(sat)相同的并联是很重要的。
4.其他注意事项1)保存半导体原件的场所的温度,温度,应保持在常温常湿状态,不应偏离太大。
常温的规定为5-35℃,常湿的规定为45—75%左右。
2)开、关时的浪涌电压等的测定,请在端子处测定
IGBT管的好坏可用指针万用表的Rxlk挡来检测,或用数字万用表的“二极管”挡来测量PN结正向压降进行判断。
检测前先将IGBT管三只引脚短路放电,避免影响检测的准确度;
然后用指针万用表的两枝表笔正反测G、e两极及G、c两极的电阻,对于正常的IGBT管(正常G、C两极与G、c两极间的正反向电阻均为无穷大;
内含阻尼二极管的IGBT管正常时,e、C极间均有4kΩ正向电阻),上述所测值均为无穷大;
最后用指针万用表的红笔接c极,黑笔接e极,若所测值在3.5kΩl左右,则所测管为含阻尼二极管的IGBT管,若所测值在50kΩ左右,则所测IGBT管内不含阻尼二极管。
对于数字万用表,正常情况下,IGBT管的C、C极问正向压降约为0.5V。
l、判断极性首先将万用表拨在R1K。
挡,用万用表测量时,若某一极与其它两极阻值为无穷大,调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大,则判断此极为栅极(G)。
其余两极再用万用表测量,若测得阻值为无穷大,调换表笔后测量阻值较小。
在测量阻值较小的一次中,则判断红表笔接的为集电极(C):
黑表笔接的为发射极(E)。
2、判断好坏将万用表拨在R10KQ档,用黑表笔接IGBT的集电极(C),红表笔接IGBT的发时极(E),此时万用表的指针在零位。
用手指同时触及一下栅极(G)和集电极(C),这时工GBT被触发导通,万用表的指针摆向阻值较小的方向,并能站们指示在某一位置。
然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E),这时IGBT被阻断,万用表的指针回零。
此时即可判断IGBT是好的。
3、注意事项任何指针式万用表铃可用于检测IGBT。
注意判断IGBT好坏时,一定要将万用表拨在RIOK挡,因RIKQ档以下各档万用表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT导通,而无法判断IGBT的好坏。
此方法同样也可以用护检测功率场效应晶体管(P一MOSFET)的好坏。
综上所述,内含阻尼二极管的IGBT管检测示意图如图所示,表笔连接除图中所示外,其他连接检测的读数均为无穷大。
如果测得IGBT管三个引脚间电阻均很小,则说明该管已击穿损坏;
若测得IGBT管三个引脚间电阻均为无穷大,说明该管已开路损坏。
实际维修中IGBT管多为击穿损坏。
IGBT驱动电路性能分析
1 引 言
近年来,新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识。
与以前的各种电力电子器件相比,IGBT目前在综合性能方面占有明显的优势,并正越来越多地应用到工作频率为几十千赫、输出功率为几千瓦到几十千瓦的各类电力变换装置中。
然而,在IGBT的使用过程中,发现了不少影响IGBT推广使用的问题,其中之一就是IGBT驱动电路的合理选择和正确设计问题。
2 IGBT驱动器的基本要求
一个理想的IGBT驱动器应具有以下基本性能:
(1)动态驱动能力强,能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。
当IGBT在硬开关方式下工作时,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。
这个过程越长,开关损耗越大。
器件工作频率较高时,开关损耗甚至会大大超过IGBT通态损耗,造成管芯温升较高。
这种情况会大大限制IGBT的开关频率和输出能力,同时对IGBT的安全工作构成很大威胁。
IGBT的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。
IGBT的栅源特性呈非线性电容性质,因此,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力,才能使IGBT栅源电压建立或消失得足够快,从而使开关损耗降至较低的水平。
另一方面,驱动器内阻也不能过小,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振
荡。
同时,过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。
(2)能向IGBT提供适当的正向栅压。
IGBT导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情况下,uGS越高,uDS就越低,器件的导通损耗就越小,这有利于充分发挥管子的工作能力。
但是,uGS并非越高越好,一般不允许超过20V,原因是一旦发生过流或短路,栅压越高,则电流幅值越高,IGBT损坏的可能性就越大。
通常,综合考虑取+15V为宜。
(3)能向IGBT提供足够的反向栅压。
在IGBT关断期间,由于电路中其它部分的工作,会在栅极电路中产生一些高频振荡信号。
这些信号轻则会使本该截止的IGBT处于微通状态,增加管子的功耗,重则将使逆变电路处于短路直通状态。
因此,最好给应处于截止状态的IGBT加一反向栅压(幅值一般为5~15V),使IGBT在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止。
(4)有足够的输入输出电隔离能力。
在许多设备中,IGBT与工频电网有直接电联系,而控制电路一般不希望如此。
另外许多电路(如桥式逆变器)中的IGBT的工作电位差别很大,也不允许控制电路与其直接耦合。
因此,驱动器具有电隔离能力可以保证设备的正常工作,同时有利于维修调试人员的人身安全。
但是,这种电隔离不应影响驱动信号的正常传输。
(5)具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。
IGBT栅极极限电压一般为±
20V,驱动信号超出此范围就可能破坏栅极。
(6)输入输出信号传输无延时。
这一方面能够减少系统响应滞后,另一方面能提高保护的快速性。
(7)电路简单,成本低。
(8)IGBT损坏时,驱动电路中的其它元件不会随之损坏。
IGBT烧毁时,集电极上的高电压往往会通过已被破坏的栅极窜入驱动电路,从而破坏其中的某些元件。
由于IGBT承受过流或短路的能力有限,故IGBT驱动器还应具有如下功能:
(9)当IGBT处于负载短路或过流状态时,能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流,实现IGBT的软关断。
其目的是避免快速关断故障电流造成过高的di/dt。
在杂散电感的作用下,过高的di/dt会产生过高的电压尖峰,使IGBT承受不住而损坏。
同理,驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响,即应具有定时逻辑栅压控制的功能。
当出现过流时,无论此时有无输入信号,都应无条件地实现软关断。
在各种设备中,二极管的反向恢复、电磁性负载的分布电容及关断吸收电路等都会在IGBT开通时造成尖峰电流。
驱动器应具备抑制这一瞬时过流的能力,在尖峰电流过后,应能恢复正常栅压,保证电路的正常工作。
(10)在出现短路、过流的情况下,能迅速发出过流保护信号,供控制电路进行处理。
3 IGBT驱动器的电路形式及特点
目前,供IGBT使用的驱动电路形式多种多样,各自的功能也不尽相同。
从综合的观点看,还没有一种十全十美的电路。
从电路隔离方式看,IGBT驱动器可分成两大类,一类采用光电耦合器,另一类采用脉冲变压器,两者均可实现信号的传输及电路的隔离。
下面以日本富士公司的EXB841驱动器为例,简单说明光电耦合驱动器的工作原理(见图1)。
图中+20V驱动电源通过R1和V5分为+15V及+5V两部分。
当来自控制电路的控制脉冲进入光电耦合器V1后,放大器使V3导通,IGBT栅极即得到一个+15V驱动信号并导通。
当控制信号消失后,V4导通,此时IGBT即得到一个-5V的栅源电压并截止。
IGBT在导通期间过流时,会脱离饱和状态,此时,uDS
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