第七章絕緣柵雙極晶體管（IGBT),7.1原理與特性,一、概述IGBTInsulatedGateBipolarTransistor近年來出現(xiàn)了許多新型復(fù)合器件，它們將前述單極型和雙極性器件的各自優(yōu)點集于一身，揚長避短，使其特性更加優(yōu)越，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點，因而發(fā)展很快應(yīng)用很廣，已成為當(dāng)前電力半導(dǎo)體器件發(fā)展的重要方向。其中尤以絕緣柵雙極晶體管(1GBT)最為突出，在各個領(lǐng)域中有取代前述全控型器件的趨勢。IGBT（IGT），1982年研制，第一代于1985年生產(chǎn)，主要特點是低損耗，導(dǎo)通壓降為3V，下降時間0.5us，耐壓500600V，電流25A。,第二代于1989年生產(chǎn)，有高速開關(guān)型和低通態(tài)壓降型，容量為400A/5001400V，工作頻率達(dá)20KHZ。目前第三代正在發(fā)展，仍然分為兩個方向，一是追求損耗更低和速度更高；另一方面是發(fā)展更大容量，采用平板壓接工藝，容量達(dá)1000A，4500V；命名為IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)二、工作原理：,IGBT是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者結(jié)構(gòu)十分類似，不同之處是IGBT多一個P+層發(fā)射極，可形成PN結(jié)J1，并由此引出漏極；門極和源極與MOSFET相類似。,1分類：按緩沖區(qū)有無分為：非對稱型IGBT：有緩沖區(qū)N+，穿通型IGBT；由于N+區(qū)存在，反向阻斷能力弱，但正向壓降低，關(guān)斷時間短，關(guān)斷時尾部電流小。對稱型IGBT：無緩沖區(qū)N+，非穿通型IGBT；具有正、反向阻斷能力，其他特性較非對稱型IGBT差。按溝道類型：N溝道IGBTP溝道IGBT,2開通和關(guān)斷原理：IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制的。門極施以正電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。在門極上施以負(fù)電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即為關(guān)斷。,VDS為負(fù)時：J3結(jié)處于反偏狀態(tài)，器件呈反向阻斷狀態(tài)。VDS為正時：VGVT，絕緣門極下形成N溝道，由于載流子的相互作用，在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)ā?關(guān)斷時拖尾時間：在器件導(dǎo)通之后，若將門極電壓突然減至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使漏極電流有所突降，但由于N-區(qū)中注入了大量的電子、空穴對，因而漏極電流不會馬上為零，而出現(xiàn)一個拖尾時間。鎖定現(xiàn)象：由于IGBT結(jié)構(gòu)中寄生著PNPN四層結(jié)構(gòu)，存在著由于再生作用而將導(dǎo)通狀態(tài)鎖定起來的可能性，從而導(dǎo)致漏極電流失控，進而引起器件產(chǎn)生破壞性失效。出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象的條件就是晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通條件：1+2=1a.靜態(tài)鎖定：IGBT在穩(wěn)態(tài)電流導(dǎo)通時出現(xiàn)的鎖定，此時漏極電壓低，鎖定發(fā)生在穩(wěn)態(tài)電流密度超過某一數(shù)值時。b.動態(tài)鎖定：動態(tài)鎖定發(fā)生在開關(guān)過程中，在大電流、高電壓的情況下、主要是因為在電流較大時引起1和2的增加，以及由過大的dv/dt引起的位移電流造成的。c.柵分布鎖定：是由于絕緣柵的電容效應(yīng)，造成在開關(guān)過程中個別先開通或后關(guān)斷的IGBT之中的電流密度過大而形成局部鎖定。采取各種工藝措施，可以提高鎖定電流，克服由于鎖定產(chǎn)生的失效。,三、基本特性：（一）靜態(tài)特性1伏安特性：,幾十伏，無反向阻斷能力,飽和區(qū),放大區(qū),擊穿區(qū),2飽和電壓特性：IGBT的電流密度較大，通態(tài)電壓的溫度系數(shù)在小電流范圍內(nèi)為負(fù)。大電流范圍為正，其值大約為1.4倍100。,3轉(zhuǎn)移特性：與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同。當(dāng)門源電壓VGS小于開啟電壓VT時，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，加在門源間的最高電壓由流過漏極的最大電流所限定。一般門源電壓最佳值15V。,4開關(guān)特性：與功率MOSFET相比，IGBT通態(tài)壓降要小得多，1000V的IGBT約有25的通態(tài)壓降。這是因為IGBT中N漂移區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的緣故。,（二）動態(tài)特性1開通過程：td(on)：開通延遲時間tri：電流上升時間tfv1，tfv2：漏源電壓下降時間tfv1：MOSFET單獨工作時的電壓下降時間。tfv2：MOSFET和PNP管同時工作時的電壓下降時間。隨漏源電壓下降而延長；受PNP管飽和過程影響。,平臺：由于門源間流過驅(qū)動電流，門源間呈二極管正向特性，VGS維持不變。,2關(guān)斷過程：td(off)：延遲時間trv：VDS上升時間tfi2：由PNP晶體管中存儲電荷決定，此時MOSFET已關(guān)斷，IGBT又無反向電壓，體內(nèi)存儲電荷很難迅速消除，因此下降時間較長，VDS較大，功耗較大。一般無緩沖區(qū)的，下降時間短。,由MOSFET決定,3開關(guān)時間：用電流的動態(tài)波形確定開關(guān)時間。漏極電流的開通時間和上升時間：開通時間：ton=td(on)+tri上升時間：tr=tfv1+tfv2漏極電流的關(guān)斷時間和下降時間：關(guān)斷時間：toff=td(off)+trv下降時間：tf=tfi1+tfi2反向恢復(fù)時間：trr,4開關(guān)時間與漏極電流、門極電阻、結(jié)溫等參數(shù)的關(guān)系：,5開關(guān)損耗與溫度和漏極電流關(guān)系,（三）擎住效應(yīng)IGBT的鎖定現(xiàn)象又稱擎住效應(yīng)。IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管存在，它由PNP利NPN兩個晶體管組成。在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個體區(qū)電阻Rbr，在該電阻上，P型體區(qū)的橫向空穴流會產(chǎn)生一定壓降。對J3結(jié)來說相當(dāng)于加一個正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個正偏壓不大，NPN晶體管不起作用。當(dāng)漏極電流人到定程度時，這個正偏量電壓足以使NPN晶體管導(dǎo)通，進而使寄生晶閘管開通、門極失去控制作用、這就是所謂的擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后。漏極電流增大造成過高的功耗，最后導(dǎo)致器件損壞。漏極通態(tài)電流的連續(xù)值超過臨界值IDM時產(chǎn)生的擎住效應(yīng)稱為靜態(tài)擎住現(xiàn)象。IGBT在關(guān)斷的過程中會產(chǎn)生動態(tài)的擎住效應(yīng)。動態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住時還要小，因此，制造廠家所規(guī)定的IDM值是按動態(tài)擎住所允許的最大漏極電流而確定的。,動態(tài)過程中擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由重加dv/dt來決定，此外還受漏極電流IDM以及結(jié)溫Tj等因素的影響。在使用中為了避免IGBT發(fā)生擎住現(xiàn)象:1設(shè)計電路時應(yīng)保證IGBT中的電流不超過IDM值；2用加大門極電阻RG的辦法延長IGBT的關(guān)斷時間，減小重加dVDS/dt。3器件制造廠家也在IGBT的工藝與結(jié)構(gòu)上想方設(shè)法盡可能提高IDM值，盡量避免產(chǎn)生擎住效應(yīng)。,（四）安全工作區(qū)1FBSOA：IGBT開通時正向偏置安全工作區(qū)。隨導(dǎo)通時間的增加，損耗增大，發(fā)熱嚴(yán)重，安全區(qū)逐步減小。2RBSOA：IGBT關(guān)斷時反向偏置安全工作區(qū)。隨IGBT關(guān)斷時的重加dVDS/dt改變，電壓上升率dVDS/dt越大，安全工作區(qū)越小。通過選擇門極電壓、門極驅(qū)動電阻和吸收回路設(shè)計可控制重加dVDS/dt，擴大RBSOA。,最大漏極電流,最大漏源電壓VDSM,（五）具體參數(shù)和特性,7.2門極驅(qū)動,一、驅(qū)動條件：門極驅(qū)動電路的正偏壓VGS，負(fù)偏壓VGS，門極電阻RG的大小，決定IGBT的靜態(tài)和動態(tài)特性，如：通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、短路能力、電流di/dt及dv/dt。,1正偏電壓VGS的影響,VGS增加時，通態(tài)壓降下降，開通時間縮短，開通損耗減小，但VGS增加到一定程度后，對IGBT的短路能力及電流di/dt不利，一般VGS不超過15V。（12V15V）,2負(fù)偏壓VGS的影響：門極負(fù)偏壓可以減小漏極浪涌電流，避免發(fā)生鎖定效應(yīng)，但對關(guān)斷特性影響不大。如圖：,3門極電阻RG的影響：當(dāng)門極電阻RG增加時，IGBT的開通與關(guān)斷時間增加，進而使每脈沖的開通能耗和關(guān)斷能損也增加。但RG減小時，IGBT的電流上升率di/dt增大，會引起IGBT的誤導(dǎo)通，同時RG電阻的損耗也增加。一般，在開關(guān)損耗不太大的情況下，選較大的電阻RG。,4IGBT驅(qū)動電路設(shè)計要求：(1)由于是容性輸入阻抗，因此IGBT對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。(2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電以保證門極控制電壓VGS有足夠陡峭的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外IGBT開通后，門極驅(qū)動源應(yīng)提供足夠的功率使IGBT不致退出飽和而損壞。(3)門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為210V。(4)IGBT多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。(5)門極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，具有對IGBT的自保護功能，并有較強的抗于擾能力。(6)若為大電感負(fù)載，IGBT的關(guān)斷時間不宜過短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。,二、驅(qū)動電路：在滿足上述驅(qū)動條件下來設(shè)計門極驅(qū)動電路，IGBT的輸入特性與MOSFET幾乎相同，因此與MOSFET的驅(qū)動電路幾乎一樣。注意：1IGBT驅(qū)動電路采用正負(fù)電壓雙電源工作方式。2信號電路和驅(qū)動電路隔離時，采用抗噪聲能力強，信號傳輸時間短的快速光耦。3門極和發(fā)射極引線盡量短，采用雙絞線。4為抑制輸入信號振蕩，在門源間并聯(lián)阻尼網(wǎng)絡(luò)。,三、常用PWM控制芯片：TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060，VC1840，SL-64等。四、IGBT專用驅(qū)動模塊：大多數(shù)IGBT生產(chǎn)廠家為了解決IGBT的可靠性問題，都生產(chǎn)與其相配套的混合集成驅(qū)動電路，如日本富士的EXB系列、日本東芝的TK系列，美國庫托羅拉的MPD系列等。這些專用驅(qū)動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功能完善，可實現(xiàn)IGBT的最優(yōu)驅(qū)動。,富士的EXB841快速驅(qū)動電路,由放大電路，過流保護電路，5V基準(zhǔn)電壓源電路組成。具有過流緩關(guān)斷功能。,7.3IGBT的保護,一、常用的保護措施：(1)通過檢出的過電流信號切斷門極控制信號，實現(xiàn)過電流保護(2)利用緩沖電路抑制過電壓并限制過量的dv/dt。(3)利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時主電路跳問，實現(xiàn)過熱保護。二、過電流保護措施及注意問題：1IGBT短路時間：,2過電流的識別：采用漏極電壓的識別方法，通過導(dǎo)通壓降判斷漏極電流大小。進而切斷門極控制信號。注意：識別時間和動作時間應(yīng)小于IGBT允許的短路過電流時間（幾個us），同時判斷短路的真與假，常用方法是利用降低門極電壓使IGBT承受短路能力增加，保護電路動作時間延長來處理。3保護時緩關(guān)斷：由于IGBT過電流時電流幅值很大，加之IGBT關(guān)斷速度快。如果按正常時的關(guān)斷速度，就會造成Ldi/dt過大形成很高的尖峰電壓，造成IGBT的鎖定或二次擊穿，極易損壞IGBT和設(shè)備中的其他元器件，因此有必要讓IGBT在允許的短路時間內(nèi)采取措施使IGBT進行“慢速關(guān)斷”。,采用電流互感器和霍爾元件進行過流檢測及過流保護：,三、緩沖電路利用緩沖電路抑制過電壓，減小dv/dt。,50A,200A,緩沖電路參數(shù)估算：緩沖電容：,L主回路雜散電感（與配線長度有關(guān)）I0關(guān)斷時漏極電流VCEP緩沖電容上電壓穩(wěn)態(tài)值（有安全區(qū)確定）Ed直流電源電壓緩沖電阻：在關(guān)斷信號到來前，將緩沖電容上電荷放凈,f：開關(guān)頻率,緩沖電阻功率：,LS：緩沖電路電感,7.4應(yīng)用實例,一、靜音式變頻調(diào)速系統(tǒng),二、工業(yè)加熱電源：,三、逆變弧焊電源：,四、不間斷電源：UPS,五、有源功率濾波器：,第八章新型電力半導(dǎo)體器件,一、新型電力電子器件IGCT集成門極換流晶閘管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）是1996年問世的一種新型半導(dǎo)體開關(guān)器件。該器件是將門極驅(qū)動電路與門極換流晶閘管GCT集成于一個整體形成的。,門極換流晶閘管GCT是基于GTO結(jié)構(gòu)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，它不僅有與GTO相同的高阻斷能力和低通態(tài)壓降，而且有與IGBT相同的開關(guān)性能，即它是GTO和IGBT相互取長補短的結(jié)果，是一種較理想的兆瓦級、中壓開關(guān)器件，非常適合用于6kV和10kV的中壓開關(guān)電路。IGCT芯片在不串不并的情況下，二電平逆變器容量0.5M3MVA，三電平逆變器1M6MVA。若反向二極管分離，不與IGCT集成在一起，二電平逆變器容量可擴至4.5MVA，三電平擴至9MVA，現(xiàn)在已有這類器件構(gòu)成的變頻器系列產(chǎn)品。目前，IGCT已經(jīng)商品化，ABB公司制造的IGCT產(chǎn)品的最高性能參數(shù)為4.5kV4kA，最高研制水平