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8结论17
参考文献19
1前言
近年来,新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识,IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,与以前的各种电力电子器件相比,IGBI、具有以下特点:
高输入阻抗,可采用通用低成本的驱动线路;
高速开关特性;
导通状态低损耗。
IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;
MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低,是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件,IGBT在综合性能方面占有明显优势,非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
本文主要通过对IGBT的结构特性和工作原理的学习,来探讨IGBT在当代电力电子领域的典型实际应用和发展前景。
2IGBT的发展历程
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。
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。
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。
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,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。
3IGBT的结构特点和工作原理
IGBT是双极型晶体管(BJT)和MOSFET的复合器件,IGBT将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高祖漂流区,大大改善了器件的导通特性,同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗的特点。
IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管。
绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管,在结构上与功率MOSFET相似,只是在员工率MOSFET的漏极和衬底之间额外增加了一个P+型层。
图3.1IGBT结构图
如图3.1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。
P+区称为漏区。
器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极。
沟道在紧靠栅区边界形成。
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(Subchannelregion)。
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。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通。
反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT关断。
IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后,从P+基极注入到N一层的空穴,对N一层进行电导调制,减小N一层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。
IGBT的开通和关断是由门极电压控制的,当门极加正向电压时,门极下方的P区中形成电子载流子到点沟道,电子载流子由发射极的N+区通过导电沟道注入N-区,即为IGBT内部的PNP型晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通。
此时,为维持N-区的电平衡,P+区像N-区注入空穴载流子,并保持N-区具有较高的载流子浓度,即对N-区进行电导调制,减小导通电阻,使得IGBT也具有较低的通态压降。
若门极上加负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP型晶体管的基极电流被切断,IGBT就关断。
图3.2常用IGBT的电气符号图3.3IGBT的等效电路
图3.2为IGBT的常用电气符号,IGBT的等效电路如图3.3所示,由图可知,若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;
若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。
IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压,只有在uA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;
同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压,流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。
4IGBT的驱动电路和保护
4.1IGBT对驱动电路的要求
IGBT的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。
栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE和栅极电阻RG的大小,对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dVCE/dt等参数都有不同程度的影响。
门极驱动条件与器件特性的关系如表1所示。
表1门极驱动条件与器件特性的关系
特性
VDS
TON、EON
Tdf、Edf
负载短路能力
电流dVCE/dt
+VCE增大
降低
增加
-VCE增大
略减小
减小
RC增大
根据IGBT的特性,其对驱动电路的要求如下:
(1)提供适当的正反向电压,使IGBT能可靠地开通和关断。
当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降,但若UGE过大,则负载短路时其IC随UGE增大而增大,对其安全不利,使用中选UGE<
<
15V为好。
负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通,一般选UGE=-5V为宜。
(2)IGBT的开关时间应综合考虑。
快速开通和关断有利于提高工作频率,减小开关损耗。
但在大电感负载下,IGBT的开频率不宜过大,因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压,及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
(3)IGBT开通后,驱动电路应提供足够的电压、电流幅值,使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。
(4)IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响,RG较大,有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率,但会增加IGBT的开关时间和开关损耗;
RG较小,会引起电流上升率增大,使IGBT误导通或损坏。
RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关,一般在几欧~几十欧,小容量的IGBT其RG值较大。
(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。
IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配,另外,在未采取适当的防静电措施情况下,G—E断不能开路。
4.2IGBT实用的驱动电路
1、直接驱动法
如图4.1所示,为了使IGBT稳定工作,一般要求双电源供电方式,即驱动电路要求采用正、负偏压的两电源方式,输入信号经整形器整形后进入放大级,放大级采用有源负载方式以提供足够的门极电流。
为消除可能出现的振荡现象,IGBT的栅射极间接入了RC网络组成的阻尼滤波器。
此种驱动电路适用于小容量的IGBT。
图4.1有正负偏压的直接驱动电路
2、隔离驱动法
图4.2变压器隔离驱动电路
图4.3隔离驱动电路
隔离驱动法有两种电路形式。
图4.2为最简单的变压器隔离驱动电路,适用于小容量的IGBT。
图4.3为光电耦合隔离驱动电路,采用双电源供电的方式。
当VG使发光二极管有电流流过时,光电耦合器HU的三极管导通,R1上有电流流过,场效应管T1关断,在VC的作用下,经电阻R2、T2管的基—发射器有了偏流,T2迅速导通,经RG栅极电阻,IGBT得到正偏而导通。
当VG没有脉冲电压时,发光二极管不发光,作用过程相反,T1导通使T3导通,-Vc经栅极电阻RG加在IGBT得栅射极之间,使IGBT迅速关断。
3、使用EXB840集成模块控制的驱动电路
相对于分立元件驱动电路而言,集成化模块驱动电路抗干扰能力强、集成化程度高、速度快、保护功能完善、可实现IGBT的最优驱动。
EXB840为高速型集成模块,最大开关频率达40kHz,能驱动75A,1200V的IGBT管。
图4.4有过流检测、保护及软关断功能的集成驱动电路
如图4.4所示,适当增加外部元件,可使整个电路具有过流检测、保护及软关断功能。
加直流20V作为集成块工作电源。
内部利用稳压二极管产生-5V的电压,除供内部应用外,也为外用提供负偏压。
集成块采用高速光耦输入隔离。
由于EXB840的15脚接高电平,故控制脉冲输入端14脚为低电平时,IGBT导通,14脚高电平时,IGBT截止。
稳压管V1、V2为栅极电压的正向限幅保护,电容C1、C2为正、反向电源的滤波电容,1脚还外接发射极的钳位二极管VD2。
此外,当集电极电流过大时,IGBT的饱和压降UCE将明显增加,使集电极电位升高,过高的集电极电位作为过流信号送至6脚,通过EXB840内部的保护电路,使栅极电位逐步下降,IGBT延时截止。
与此同时,5脚输出低电平,使光耦合器S01导通,输出过电流保护信号,对PWM信号提供一个封锁信号,封锁与门。
IGBT在发生短路后是不允许立即过快地关断,因此时短路电流相当大,如果立即关断会造成很大的di/dt,这在线路杂散电感作用下会在IGBT上产生过高的冲击电压,损坏元件。
EXB840慢关断动作时间约8us,延时功能在内部电路里实现。
EXB840的4脚用于连接外部电容,以防止过流保护电路误动作,多数场合不需接该电容。
该电路适合容量较大、开关频率在40千赫以下的IGBT,整个驱动电路动作快,信号延时不超过1.5微秒。
并有过流检测、保护及过载慢速关断等控制功能。
以上所论述的IGBT驱动电路都是在实践中很有应用价值的,使用时可根据器件容量或功能要求来选择不同的驱动电路。
小容量的IGBT可选择直接驱动或隔离驱动,较大容量且要求保护功能完善的IGBT选用集成模块控制的驱动电路。
4.3IGBT的保护措施
在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO。
但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。
因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。
在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施。
1、IGBT栅极的保护
IGBT的栅极-发射极驱动电压VGE的保证值为±
20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。
另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极-发射极有电流流过。
这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。
如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上电压,则IGBT就可能会损坏。
为防止此类情况发生,应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻,此电阻应尽量靠近栅极与发射极,如图4.5所示。
图4.5IGBT栅极的保护电路
2、集电极与发射极间的过压保护
过电压的产生主要有两种情况,一种是施加到IGBT集电极-发射极间的直流电压过高,另一种为集电极-发射极上的浪涌电压过高。
1)直流过电压
直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。
解决的办法是在选取IGBT时,进行降额设计;
另外,可在检测出这一过压时分断IGBT的输入,保证IGBT的安全。
2)浪涌电压的保护
因为电路中分布电感的存在,加之IGBT的开关速度较高,当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时,就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt,威胁IGBT的安全,vCE为IGBT极电极-发射极间的电压波形;
ic为IGBT的集电极电流;
Ud为输入IGBT的直流电压;
VCESP=Ud+Ldic/dt,为浪涌电压峰值。
如果VCESP超出IGBT的集电极-发射极间耐压值VCES,就可能损坏IGBT。
解决的办法主要有:
a)在选取IGBT时考虑设计裕量;
b)在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg,使di/dt尽可能小;
c)尽量将电解电容靠近IGBT安装,以减小分布电感;
d)根据情况加装缓冲保护电路,旁路高频浪涌电压。
由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用,在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。
1)C缓冲电路如图4.6(a)所示,采用薄膜电容,靠近IGBT安装,其特点是电路简单,其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路,易产生电压振荡,而且IGBT开通时集电极电流较大。
2)RC缓冲电路如图4.6(b)所示,其特点是适合于斩波电路,但在使用大容量IGBT时,必须使缓冲电阻值增大,否则,开通时集电极电流过大,使IGBT功能受到一定限制。
3)RCD缓冲电路如图4.6(c)所示,与RC缓冲电路相比其特点是,增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大,避开了开通时IGBT功能受阻的问题。
该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为P=LI2f+CUd2f。
式中,L为主电路中的分布电感;
I为IGBT关断时的集电极电流;
f为IGBT的开关频率;
C为缓冲电容;
Ud为直流电压值。
4)放电阻止型缓冲电路如图4.6(d)所示,与RCD缓冲电路相比其特点是,产生的损耗小,适合于高频开关。
在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为P=1/2LI2f+1/2CUf,根据实际情况选取适当的缓冲保护电路,抑制关断浪涌电压。
在进行装配时,要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感,接线越短越粗越好。
图4.6缓冲保护电路
3、GBT的过流保护
IGBT的过流保护电路可分为2类:
一类是低倍数的(1.2~1.5倍)的过载保护;
一类是高倍数(可达8~10倍)的短路保护。
对于过载保护不必快速响应,可采用集中式保护,即检测输入端或直流环节的总电流,当此电流超过设定值后比较器翻转,封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲,使输出电流降为零。
这种过载电流保护,一旦动作后,要通过复位才能恢复正常工作。
IGBT能承受很短时间的短路电流,能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关,随着饱和导通压降的增加而延长。
如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs,而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs,4~5V时可达30μs以上。
存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低,IGBT的阻抗也降低,短路电流同时增大,短路时的功耗随着电流的平方加大,造成承受短路的时间迅速减小。
通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。
软关断指在过流和短路时,直接关断IGBT。
但是,软关断抗骚扰能力差,一旦检测到过流信号就关断,很容易发生误动作。
为增加保护电路的抗骚扰能力,可在故障信号与启动保护电路之间加一,不过故障电流会在这个内急剧上升,大大增加了功率损耗,同时还会导致器件的di/dt增大。
所以往往是保护电路启动了,器件仍然坏了。
降栅压旨在检测到器件过流时,马上降低栅压,但器件仍维持导通。
降栅压后设有固定,故障电流在这一期内被限制在一较小值,则降低了故障时器件的功耗,延长了器件抗短路的时间,而且能够降低器件关断时的di/dt,对器件保护十分有利。
若后故障信号依然存在,则关断器件,若故障信号消失,驱动电路可自动恢复正常的工作状态,因而大大增强了抗骚扰能力。
5IGBT的工作特性
IGBT的工作特性包括静态和动态两类:
1、静态特性
IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
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)可表示为Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh,其中,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可表示为:
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
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