IGBT工作原理.docx
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IGBT工作原理
IGBT工作原理
IGBT的工作原理和工作特性
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,流过反向基极电流,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(少子),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~IV;
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,如图2-58所示
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2-59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)(2-16)
式中,td(off)与trv之和又称为存储时间。
由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体,特别是其栅极为MOS结构,因此除了上述应有的保护之外,就像其他MOS结构器件一样,IGBT对于静电压也是十分敏感的,故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项:
——在需要用手接触IGBT前,应先将人体上的静电放电后再进行操作,并尽量不要接触模块的驱动端子部分,必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉;
——在焊接作业时,为了防止静电可能损坏IGBT,焊机一定要可靠地接地。
2.2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。
2.2.1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。
2.2.2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。
通常IGBT的浪涌电压波形如图3所示。
图中:
vCE为IGBT?
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:
——在选取IGBT时考虑设计裕量;
——在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg,使di/dt尽可能小;
——尽量将电解电容靠近IGBT安装,以减小分布电感;
——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。
——C缓冲电路如图4(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。
——RC缓冲电路如图4(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。
——RCD缓冲电路如图4(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。
——放电阻止型缓冲电路如图4(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。
2.3集电极电流过流保护
对IGBT的过流保护,主要有3种方法。
2.3.1用电阻或电流互感器检测过流进行保护
如图5(a)及图5(b)所示,可以用电阻或电流互感器与IGBT串联,检测流过IGBT集电极的电流。
当有过流情况发生时,控制执行机构断开IGBT的输入,达到保护IGBT的目的。
2.3.2由IGBT的VCE(sat)检测过流进行保护
如图5(c)所示,因VCE(sat)=IcRCE(sat),当Ic增大时,VCE(sat)也随之增大,若栅极电压为高电平,而VCE为高,则此时就有过流情况发生,此时与门输出高电平,将过流信号输出,控制执行机构断开IGBT的输入,保护IGBT。
2.3.3检测负载电流进行保护
此方法与图5(a)中的检测方法基本相同,但图5(a)属直接法,此属间接法,如图5(d)所示。
若负载短路或负载电流加大时,也可能使前级的IGBT的集电极电流增大,导致IGBT损坏。
由负载处(或IGBT的后一级电路)检测到异常后,控制执行机构切断IGBT的输入,达到保护的目的。
2.4过热保护
一般情况下流过IGBT的电流较大,开关频率较高,故而器件的损耗也比较大,如果热量不能及时散掉,使得器件的结温Tj超过Tjmax,则IGBT可能损坏。
IGBT的功耗包括稳态功耗和动态动耗,其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。
在进行热设计时,不仅要保证其在正常工作时能够充分散热,而且还要保证其在发生短时过载时,IGBT的结温也不超过Tjmax。
当然,受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑,散热系统也不可能无限制地扩大。
可在靠近IGBT处加装一温度继电器等,检测IGBT的工作温度。
控制执行机构在发生异常时切断IGBT的输入,保护其安全。
除此之外,将IGBT往散热器上安装固定时应注意以下事项:
——由于热阻随IGBT安装位置的不同而不同,因此,若在散热器上仅安装一个IGBT时,应将其安装在正中间,以便使得热阻最小;当要安装几个IGBT时,应根据每个IGBT的发热情况留出相应的空间;
——使用带纹路的散热器时,应将IGBT较宽的方向顺着散热器的纹路,以减少散热器的变形;
——散热器的安装表面光洁度应≤10μm,如果散热器的表面不平,将大大增加散热器与器件的接触热阻,甚至在IGBT的管芯和管壳之间的衬底上产生很大的张力,损坏IGBT的绝缘层;
——为了减少接触热阻,最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。
3结语
在应用IGBT时应根据实际情况,采取相应的保护措施。
只要在过压、过流、过热等几个方面都采取有效的保护措施后,在实际应用中均能够取得良好的效果,保证IGBT安全可靠地工作。
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- IGBT 工作 原理