武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文任務(wù)書學(xué)生姓名專業(yè)班級(jí)自動(dòng)化0702班指導(dǎo)教師工作單位自動(dòng)化學(xué)院設(shè)計(jì)論文題目大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容研究目前市場(chǎng)大功率IGBT的特性，并針對(duì)1200V，450A的IGBT模塊設(shè)計(jì)隔離型IGBT驅(qū)動(dòng)電路及實(shí)現(xiàn)電路的保護(hù)。完成硬件電路設(shè)計(jì)。要求完成的主要任務(wù)1學(xué)習(xí)MATLAB軟件相關(guān)知識(shí)內(nèi)容；學(xué)習(xí)MATLAB軟件相關(guān)知識(shí)；2具體了解單管IGBT結(jié)構(gòu)和工作原理，知道IGBT的基本特性（靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性）（了解內(nèi)容正反電壓、集電極電流、射集電壓、集電極功耗）；GEUCICEUCMP3具體了解IGBT模塊分別在低壓小電流驅(qū)動(dòng)和高壓大電流驅(qū)動(dòng)條件下的驅(qū)動(dòng)要求，選取高壓大功率的IGBT模塊進(jìn)行了解并設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路（IGBT模塊選取1200V，450A的FF450R12KT4型號(hào)）；4設(shè)計(jì)隔離型IGBT驅(qū)動(dòng)電路的硬件電路；5撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，字?jǐn)?shù)不少于15000；6完成外文文獻(xiàn)翻譯，字?jǐn)?shù)約為5000左右。必讀參考資料1林飛杜欣電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真M北京中國(guó)電力出版社，20092王兆安劉進(jìn)軍電力電子技術(shù)M北京機(jī)械工業(yè)出版社，20093ABRAHAMIPRESSMAN著SWITCHINGPOWERSUPPLYDESIGNM王志強(qiáng)譯北京電子工業(yè)出版社，20104陳堅(jiān)電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)M北京高等教育出版社，2002指導(dǎo)教師簽名系主任簽名院長(zhǎng)簽名（章）武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告1、目的及意義（含國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為第三代電力電子器件，是80年代初為解決金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的高導(dǎo)通壓降、難以制成兼有高壓和大電流特性和大功率晶體管（GTR）的工作頻率低、驅(qū)動(dòng)電路功率大等不足而出現(xiàn)的雙機(jī)理復(fù)合器件，是MODFET和GTR結(jié)合的產(chǎn)物。它結(jié)合了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，比MODFET減少了導(dǎo)通損耗，增大了導(dǎo)通電流，比GTR開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)頻率高，而且耐壓等級(jí)也顯著提高。諸多的優(yōu)良特性使得IGBT成為大中功率開關(guān)電源、逆變器、高頻感應(yīng)加熱有源濾波器、家用電器等需要電流變換成和的理想功率器件。特別是近幾年來，變頻驅(qū)動(dòng)、有源電力濾波器、輕型直流輸電、UPS電源、電焊機(jī)、醫(yī)療儀器等電力電子的應(yīng)用技術(shù)風(fēng)起云涌，IGBT作為主流的功率輸出器件，應(yīng)用日趨廣泛。在要求快速低損耗的電力電子應(yīng)用范圍內(nèi)，在中、低頻功率功率控制應(yīng)用中，IGBT最具獨(dú)特性能。眾所周知，電力電子技術(shù)和應(yīng)用裝置的發(fā)展水平很大程度上依賴于電力電子器件的發(fā)展水平，而電力電子器件的使用性能還會(huì)依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境。IGBT也不例外，驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)師IGBT應(yīng)用中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，也是應(yīng)用設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和關(guān)鍵。性能優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是保證IGBT高效、可靠運(yùn)行的必要條件。目前IGBT驅(qū)動(dòng)器的形式多種多樣各有其特點(diǎn)，下面介紹幾種典型常用的驅(qū)動(dòng)器1雙絞線傳輸式驅(qū)動(dòng)器門極驅(qū)動(dòng)電路的輸出線為絞合線，為抑制輸入信號(hào)的振蕩現(xiàn)象，在門源端并聯(lián)一阻尼網(wǎng)絡(luò)，由1電阻和033電容器組成阻尼振F蕩器。另外，驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)與IGBT的輸入端之間的連接串有一只10的門極電阻。2光電耦合隔離式驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離后引入驅(qū)動(dòng)電路，IU經(jīng)放大器放大由推換電路V2，V3向IGBT提供門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。V2通過得到一CU個(gè)正向門極電壓，當(dāng)V2截止，V3導(dǎo)通是得到一個(gè)負(fù)的門極電壓并截止。另外設(shè)計(jì)了過電流保護(hù)裝置。當(dāng)電流信號(hào)來時(shí)，IGBT脫離飽和狀態(tài)，升高，VD1檢測(cè)到DS該信號(hào)，一方面通過光耦向控制回路發(fā)信號(hào)，另一方面在較短的時(shí)間內(nèi)降低門極電壓使IGBT關(guān)斷。3變壓耦合隔離式驅(qū)動(dòng)器由控制脈沖生成單元產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)晶體管V進(jìn)行功率放大后加到脈沖變壓器T，并由T隔離耦合經(jīng)穩(wěn)壓管VS1，VS2限幅后驅(qū)動(dòng)IGBT。驅(qū)動(dòng)級(jí)不需專門的直流電源，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，且工作頻率高，可達(dá)10KHZ左右。2、基本內(nèi)容和技術(shù)方案首先針對(duì)自己的研究課題，經(jīng)過查閱相關(guān)書籍資料了解IGBT元件的工作原理及其特性，從而掌握該元件的本質(zhì)特點(diǎn)。然后閱讀學(xué)習(xí)關(guān)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的文獻(xiàn)資料，深入的了解驅(qū)動(dòng)電路的基本工作原理，為自己的電路初步設(shè)計(jì)奠定下基礎(chǔ)。同時(shí)針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路中的對(duì)于IGBT元件的保護(hù)電路所需選擇的措施及柵極電阻的選擇進(jìn)行研究，最終根據(jù)自己設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)采取正確的保護(hù)措施，從而進(jìn)一步的更好的完成本次的關(guān)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的課題研究。通過查閱學(xué)習(xí)關(guān)于IGBT元件的資料文獻(xiàn)，了解到IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，而且還學(xué)習(xí)了該元件的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。IGBT的柵源特性呈非線性電容性，并工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，其快速通斷導(dǎo)致過高的電流尖峰，在控制回路中產(chǎn)生干擾，引起振蕩。因此，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路選用具有足夠的瞬時(shí)電流吞吐能力及快速通斷的光耦合隔離器。同時(shí)，由于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路要保證一條低阻抗的放電回路，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的內(nèi)阻一定要小，即柵極電容充放電速度要快，以保證VGE有較陡的前后沿，使IGBT開關(guān)損耗盡量要小，所以必須對(duì)上面需求進(jìn)行仔細(xì)的研究。整體驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)會(huì)對(duì)IGBT的運(yùn)行性能產(chǎn)生顯著影響，如開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、短路電流保護(hù)能力和抗DV/DT的能力等。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須要根據(jù)IGBT的型號(hào)類型和參數(shù)指標(biāo)合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于充分發(fā)揮IGBT的性能是十分重要的。IGBT驅(qū)動(dòng)電路中柵極電阻的研究也是十分重要的，柵極電阻可以消除柵極振蕩、轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)器件的功率損耗和調(diào)節(jié)開關(guān)的通斷速度，所以必須針對(duì)柵極電阻選取的注意方面及其與IGBT的在電路中的關(guān)系的進(jìn)行討論研究。過流問題是IGBT和設(shè)備安全運(yùn)行的重要因素，對(duì)于1200V/450A的IGBT模塊來說導(dǎo)通壓降為2V左右。工程上常采用調(diào)整串聯(lián)在IGBT集電極與驅(qū)動(dòng)塊之間的二極管個(gè)數(shù)。其存在的問題是只能階梯式地調(diào)整，而07V的動(dòng)作電壓反映在IGBT上，IC將產(chǎn)生很大的變化，很難做到精確設(shè)定過流保護(hù)的臨界動(dòng)作點(diǎn)。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，要注意上面IGBT應(yīng)用的必要條件，完成電路原理圖的繪制，完成字?jǐn)?shù)不少于15萬字的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。3、進(jìn)度安排第12周畢業(yè)實(shí)習(xí)，撰寫畢業(yè)實(shí)習(xí)報(bào)告；第34周翻譯外文資料，初步確定方案，完成開題報(bào)告；第5周確定最終方案，并進(jìn)行可行性分析；第69周硬件設(shè)計(jì)及程序代碼編制；第1011周綜合調(diào)試，根據(jù)結(jié)果完善系統(tǒng)；第1214周完成論文撰寫；第15周論文答辯；第16周論文裝訂4、指導(dǎo)教師意見指導(dǎo)教師簽名年月日目錄摘要IABSTRACTII1緒論111引言112課題研究意義213研究現(xiàn)狀3131產(chǎn)品現(xiàn)狀3132技術(shù)現(xiàn)狀414主要研究?jī)?nèi)容52IGBT的基本結(jié)構(gòu)及IGBT模塊選型721IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理722IGBT的基本工作特性923IGBT模塊選型113IGBT驅(qū)動(dòng)研究1231驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求1232IGBT的驅(qū)動(dòng)電路選型1233IGBT驅(qū)動(dòng)電路中柵極電阻的研究14331柵極電阻的作用14332柵極電阻的選取14333設(shè)置柵極電阻的注意事項(xiàng)15334柵極電阻和IGBT的關(guān)系討論154IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)1941IGBT柵極的保護(hù)1942IGBT的過電流保護(hù)1943IGBT開關(guān)過程中的電壓保護(hù)2244IGBT的過熱保護(hù)2545IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)總結(jié)265隔離型IGBT驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)2751IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖2752正常開通與關(guān)斷過程2753保護(hù)電路的工作2754IGBT驅(qū)動(dòng)電路的整體電路圖296總結(jié)與展望30參考文獻(xiàn)31附錄32致謝35摘要絕緣柵雙極型晶體管IGBT是一種由雙極型晶體管與MOSFET組合的器件，它既有MOSFET的柵極電壓控制快速開關(guān)特性，又具有雙極型晶體管大電流處理能力和低飽和壓降的特點(diǎn)。基于此特點(diǎn)，在應(yīng)用的廣泛領(lǐng)域中的IGBT是非常重要的原件，所以開設(shè)關(guān)于大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)的課題研究非常有意義。在電力電子器件中，IGBT的綜合性能方面占有明顯優(yōu)勢(shì)，并廣泛地運(yùn)用在各類電力變換裝置中。然而如何有效地驅(qū)動(dòng)并保護(hù)IGBT，成為電力電子領(lǐng)域中的重要研究課題之一。本文討論了IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及IGBT元件其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，研究討論了IGBT驅(qū)動(dòng)電路的主要種類和電路的各種保護(hù)方式及柵極電阻對(duì)于IGBT性能以及對(duì)驅(qū)動(dòng)電路與過流保護(hù)電路的要求。本文利用IGBT的通態(tài)飽和壓降與集電極電流呈近似線性關(guān)系的特性，設(shè)計(jì)一個(gè)具有完善的過流過壓保護(hù)功能的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。經(jīng)過對(duì)于相關(guān)資料的分析和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。關(guān)鍵詞IGBT；驅(qū)動(dòng)電路；過流保護(hù)ABSTRACTINSULATIONGRIDDOUBLEPOLETRANSISTORIGBTISONEKINDBYTHEDOUBLEPOLETRANSISTORANDTHEMOSFETCOMBINATIONCOMPONENT,ITBOTHHASTHEMOSFETGRIDBIASCONTROLSPLITSECONDSELECTIONCHARACTERISTIC,ANDHASTHEDOUBLEPOLETRANSISTORBIGELECTRICCURRENTHANDLINGABILITYANDTHELOWSATURATEDPRESSUREDROPCHARACTERISTICBASEDONTHISFEATUREINTHEBROADFIELDOFAPPLICATIONOFIGBTISVERYIMPORTANTINTHEORIGINAL,SOTHECREATIONOFHIGHPOWERIGBTDRIVECIRCUITONTHEDESIGNOFTHERESEARCHISVERYMEANINGFULINPOWERELECTRONICDEVICES,THECOMBINATIONPROPERTYOFIGBTHASCLEARSUPERIORITY,WHICHISWIDELYUSEDVARIOUSELECTRICEQUIPMENTHOWEVER，NOWTODRIVEANDPROTECTIGBTEFFECTIVELYHASBECOMEONEOFTHEIMPORTANTTASKSINPOWERANDELECTRONICFIELDSTHISARTICLEDISCUSSESTHEPRINCIPLESOFTHEINTERNALSTRUCTUREOFIGBTANDIGBTCOMPONENTSOFITSSTATICANDDYNAMICCHARACTERISTICSALSODISCUSSEDTHEMAINTYPESOFIGBTDRIVECIRCUITANDTHECIRCUITRESISTANCEOFVARIOUSPROTECTIVEMETHODSANDTHEIGBTGATEDRIVECIRCUITPERFORMANCEANDONTHEREQUIREMENTSANDOVERCURRENTPROTECTIONCIRCUITUSINGIGBTSONSTATESATURATIONVOLTAGEANDCOLLECTORCURRENTAPPROXIMATELYLINEARRELATIONSHIPBETWEENCHARACTERISTICSATTHESAMETIME,DESIGNAIGBTDRIVERCIRCUITWHICHHASACOMPLETEOVERVOLTAGEANDOVERCURRENTPROTECTIONFUNCTIONAFTERTHERELEVANTINFORMATIONFORANALYSISANDEXPERIMENTS,DESIGNEDWITHSIMPLE,PRACTICAL,ANDHIGHRELIABILITYOFTHEIGBTDRIVERCIRCUITKEYWORDSIGBT；DRIVINGCIRCUIT；OVERCURRENTPROTECTION1緒論11引言近年來，隨著大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件發(fā)展和生產(chǎn)工藝的日益成熟，特別是20世紀(jì)80年代IGBT絕緣柵雙極晶體管的出現(xiàn)，逐步實(shí)現(xiàn)了采用IGBT做開關(guān)管的全固態(tài)大功率調(diào)制器和高壓開關(guān)電源。IGBT是MOS與BJT的復(fù)合型功率器件，這種器件屬于場(chǎng)控功率管，有著開關(guān)速度快、耐壓高、開關(guān)功率大、管壓降小等特點(diǎn)。采用IGBT作為開關(guān)器件的調(diào)制器和高壓電源，不但具有效率高、體積小、重量輕、可靠性高、易模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，而且沒有電子管的壽命問題，使用和維護(hù)費(fèi)用也隨之下降。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路要求驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、保護(hù)迅速有效。1979年，MOS柵功率開關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個(gè)類晶閘管的結(jié)構(gòu)（PNPN四層組成），其特點(diǎn)是通過強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（雙擴(kuò)散形成的金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝被采用到IGBT中來。在那個(gè)時(shí)候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT（非穿通）型設(shè)計(jì)。后來，通過采用PT（穿通）型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個(gè)顯著改進(jìn)，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進(jìn)步，以及采用對(duì)應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計(jì)的N緩沖層而進(jìn)展的。幾年當(dāng)中，這種在采用PT設(shè)計(jì)的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)規(guī)則從5微米先進(jìn)到3微米。90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結(jié)構(gòu)。在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時(shí)間之間折衷的更重要的改進(jìn)。硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通（LPT）結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。這次從穿通（PT）型技術(shù)先進(jìn)到非穿通（NPT）型技術(shù)，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是穿通（PT）技術(shù)會(huì)有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對(duì)少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制致使其輸運(yùn)效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)則是基于不對(duì)少子壽命進(jìn)行殺傷而有很好的輸運(yùn)效率，不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進(jìn)而言之，非穿通（NPT）技術(shù)又被軟穿通（LPT）技術(shù)所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場(chǎng)截止”（FS）型技術(shù)，這使得“成本性能”的綜合效果得到進(jìn)一步改善。1996年，CSTBT（載流子儲(chǔ)存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實(shí)現(xiàn)，它采用了弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進(jìn)的寬元胞間距的設(shè)計(jì)。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向?qū)ㄐ汀保鎸?dǎo)型）功能的IGBT器件的新概念正在進(jìn)行研究，以求得進(jìn)一步優(yōu)化。IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為12001800A/18003300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中，智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)。現(xiàn)在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅(qū)動(dòng)電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路其性能更好,整機(jī)的可靠性更高及體積更小。12課題研究意義電力電子技術(shù)的應(yīng)用在當(dāng)今的工業(yè)領(lǐng)域里起到了不可替代的作用，而IGBT在諸如變頻器、大功率開關(guān)電源等電力電子技術(shù)的能量變換與管理應(yīng)用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關(guān)器件，因此如何安全可靠地驅(qū)動(dòng)IGBT工作，也成為越來越多的設(shè)計(jì)工程師面臨需要解決的課題。IGBT開發(fā)之初主要應(yīng)用在電機(jī)、變換器（逆變器）、變頻器、UPS、EPS電源、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等工業(yè)控制領(lǐng)域。在上述的應(yīng)用領(lǐng)域中，IGBT憑借著電壓控制、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗小、可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在600V及以上中壓應(yīng)用領(lǐng)域中競(jìng)爭(zhēng)力逐步顯現(xiàn)。在UPS、開關(guān)電源、電車、交流電機(jī)控制中已逐步代替GTO、GTR。由于SCR和GTO具有極高的耐壓能力和較大的通過電流，目前在高壓大電流應(yīng)用中SCR和GTO仍占有統(tǒng)治地位。隨著人們節(jié)能意識(shí)的逐步增強(qiáng)，變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)等變頻家電比例的逐年擴(kuò)大。為了簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，提高IGBT使用的可靠性，變頻家電中主要使用集和驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等功能于一體的IGBT智能模塊。IGBT在汽車中的應(yīng)用主要集中在汽車點(diǎn)火器上，已成功地取代達(dá)林頓管成為汽車點(diǎn)火器的首選。飛兆、英飛凌、ST在該市場(chǎng)中有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。中國(guó)鐵路的發(fā)展離不開大量電力機(jī)車和高速動(dòng)車組，電力機(jī)車需要500個(gè)IGBT，動(dòng)車組需要超過100個(gè)IGBT，一節(jié)地鐵需要5080個(gè)IGBT模塊。粗略估計(jì)上述軌道交通市場(chǎng)對(duì)IGBT模塊的需求將超過三百萬個(gè)，可以想見軌道交通給IGBT市場(chǎng)所帶來的空前機(jī)遇和發(fā)展空間。當(dāng)?shù)吞冀?jīng)濟(jì)，節(jié)能減排成為經(jīng)濟(jì)工作的重點(diǎn)時(shí)，市場(chǎng)對(duì)節(jié)能概念接受能力較強(qiáng)。在節(jié)能減排的大環(huán)境下，IGBT一方面擁有新技術(shù)帶來的廣闊的市場(chǎng)空間，另一方面從技術(shù)發(fā)展路線來看又對(duì)以往的功率器件產(chǎn)品有一個(gè)逐步替代的作用。2009年我國(guó)IGBT市場(chǎng)為53億元左右，目前我國(guó)IGBT市場(chǎng)占整個(gè)功率器件市場(chǎng)份額尚不足10，我們預(yù)計(jì)未來幾年IGBT市場(chǎng)隨著節(jié)能減排的推進(jìn)將得到快速發(fā)展，增速將達(dá)到2030，遠(yuǎn)超整個(gè)功率器件市場(chǎng)。由于關(guān)鍵技術(shù)的缺失，中國(guó)功率器件市場(chǎng)絕大部分份額被國(guó)外廠商占領(lǐng)，在國(guó)家政策扶持下，目前中國(guó)IGBT行業(yè)中高端技術(shù)已有突破，部分廠商已具備量產(chǎn)能力。IGBT模塊發(fā)展趨向是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠、低成本為目標(biāo)的，特別是發(fā)展高壓變頻器的應(yīng)用，簡(jiǎn)化其主電路，減少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，簡(jiǎn)化調(diào)試工作等，都與IGBT有密切的內(nèi)在聯(lián)系。隨著大功率IGBT在生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越加廣泛，那么IGBT的驅(qū)動(dòng)電路也得到了成熟的發(fā)展。在使用IGBT構(gòu)成的各種主回路之中，大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路起到弱電控制強(qiáng)電的終端界面接口作用。因其重要性，所以可以將該電路看成是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的“子系統(tǒng)”來研究、開發(fā)及設(shè)計(jì)。大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路一直伴隨IGBT技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)上流行著很多種類非常成熟的大功率IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路專用產(chǎn)品，成為大多數(shù)設(shè)計(jì)工程師的首選；也有許多的工程師根據(jù)其電路的特殊要求，自行研制出各種專用的大功率IGBT。驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路而IGBT行業(yè)中的高端技術(shù)重點(diǎn)在于怎樣驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)IGBT正常工作。13研究現(xiàn)狀131產(chǎn)品現(xiàn)狀當(dāng)前市場(chǎng)上的成品驅(qū)動(dòng)器,按驅(qū)動(dòng)信號(hào)與被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵器件的電氣關(guān)系來分，可分為直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種，其中隔離驅(qū)動(dòng)的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器兩種。不隔離的直接驅(qū)動(dòng)器在BOOST、全波、正激或反激等電路中，功率開關(guān)管的源極位于輸入電源的下軌，PWMIC輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一般不必與開關(guān)管隔離，可以直接驅(qū)動(dòng)。如果需要較大的驅(qū)動(dòng)能力，可以加接一級(jí)放大器或是串上一個(gè)成品驅(qū)動(dòng)器。直接驅(qū)動(dòng)的成品驅(qū)動(dòng)器一般都采用薄膜工藝制成IC電路，調(diào)節(jié)電阻和較大的電容由外引腳接入。目前的成品驅(qū)動(dòng)器種類不少，如TI公司的UCC37XXX系列，TOSIBA公司的TPS28XX系列，0NSEMI公司的MC3315X系列，SHARP公司的PC9XX系列，IR公司的IR21XX系列，等等，種類繁多。光電耦合器的隔離驅(qū)動(dòng)器隔離驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品絕大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵器件，采用厚膜工藝制成HIC電路，部分阻容元件也由引腳接入。目前市售的光電耦合型驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列、MITSUBISHI公司的M579XX系列、英達(dá)公司的HR065和西安愛帕克電力電子有限公司的HL402B等，以及北京落木源電子技術(shù)有限公司的TXKA系列。TXKA系列驅(qū)動(dòng)器保護(hù)功能完善、工作頻率高、價(jià)格便宜，并能與多種其它類型的驅(qū)動(dòng)器兼容。此類產(chǎn)品，由于光電耦合器的速度限制，一般工作頻率都在50KHZ以下TXKA101可達(dá)80K。它們的優(yōu)點(diǎn)是大部分具有過流保護(hù)功能，其過電流信號(hào)是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點(diǎn)是需要一個(gè)或兩個(gè)獨(dú)立的輔助電源，因而使用較為麻煩。由于成本問題，該類產(chǎn)品價(jià)格稍高，因此只適用于在大功率電源中驅(qū)動(dòng)IGBT模塊，在中小功率領(lǐng)域難以推廣使用。變壓器隔離、一路電源輸入，自帶DC/DC輔助電源的驅(qū)動(dòng)器目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22等，使用兩個(gè)脈沖變壓器傳遞半橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，需要一路電源輸入，自帶一個(gè)DC/DC電源提供驅(qū)動(dòng)所需的兩個(gè)輔助電源。輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)質(zhì)量不錯(cuò)，驅(qū)動(dòng)能力也很強(qiáng)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因而體積較大，價(jià)格不菲，只適用于特大功率電源中。上述兩種驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)傳遞采用的是調(diào)制技術(shù)。北京落木源公司也開發(fā)了一款變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為KB101，可以工作在較高的頻率上，但是需要用戶提供輔助電源。變壓器隔離、調(diào)制式自給電源驅(qū)動(dòng)器調(diào)制式自給電源驅(qū)動(dòng)器，采用變壓器進(jìn)行電氣隔離，通過載頻傳遞驅(qū)動(dòng)所需要的能量，通過調(diào)制信號(hào)傳遞PWM信息，因此可以通過0100占空比的PWM信號(hào)。目前的許多驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)品都采用這種技術(shù)，如西門康的SKHI27等。單片式的調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，目前國(guó)外還未見有產(chǎn)品出售。但有一種2片組合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對(duì)，其中3724與驅(qū)動(dòng)源相連，3725與被驅(qū)動(dòng)的絕緣柵器件相連，3724與3725之間由用戶接入一個(gè)脈沖變壓器，在UC3724中將PWM信號(hào)調(diào)制到約MHZ的載波上，送到隔離脈沖變壓器的初級(jí)，次級(jí)輸出信號(hào)在UC3725中通過直接整流得到自給電源，通過解調(diào)取得原PWM信號(hào)。國(guó)內(nèi)的單片式調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，有北京落木源的TXKE系列驅(qū)動(dòng)器。調(diào)制驅(qū)動(dòng)器，除無需用戶提供輔助電源外，還具有隔離電壓高的特點(diǎn)，但是價(jià)格較高。變壓器隔離、分時(shí)式自給電源驅(qū)動(dòng)器分時(shí)式自給電源驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，大中小功率的電源都可應(yīng)用；驅(qū)動(dòng)器自身不需要單獨(dú)的供電電源，簡(jiǎn)化了電路；輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的延遲很少，上升和下降沿也相當(dāng)陡峭；工作頻率較高，并且可在占空比595的范圍內(nèi)工作。分時(shí)式自給電源驅(qū)動(dòng)器的缺點(diǎn)是當(dāng)工作頻率較低時(shí)變壓器的體積較大，厚膜化困難，由于自給電源提供的能量有限、難以驅(qū)動(dòng)300A/1200V以上的IGBT。132技術(shù)現(xiàn)狀開關(guān)電源中大功率器件驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)一向是電源領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。普通大功率三極管和絕緣柵功率器件包括VMOS場(chǎng)效應(yīng)管和IGBT絕緣柵雙極性大功率管等，由于器件結(jié)構(gòu)的不同，具體的驅(qū)動(dòng)要求和技術(shù)也大不相同。前者屬于電流控制器件，要求合適的電流波形來驅(qū)動(dòng)；后者屬于電場(chǎng)控制器件，要求一定的電壓來驅(qū)動(dòng)。本文只介紹后者的情況。VMOS場(chǎng)效應(yīng)管以及IGBT絕緣柵雙極性大功率管等器件的源極和柵極之間是絕緣的二氧化硅結(jié)構(gòu)，直流電不能通過，因而低頻的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)功率接近于零。但是柵極和源極之間構(gòu)成了一個(gè)柵極電容CGS，因而在高頻率的交替開通和關(guān)斷時(shí)需要一定的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。小功率VMOS管的CGS一般在10100PF之內(nèi)，對(duì)于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容CGS較大，在1100NF，甚至更大，因而需要較大的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)功率。更由于漏極到柵極的密勒電容CGS，柵極驅(qū)動(dòng)功率是不可忽視的。為可靠驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與功率器件不需要隔離時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是比較簡(jiǎn)單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)集成電路，如IR2110。當(dāng)需要驅(qū)動(dòng)器的輸入端與輸出端電氣隔離時(shí)，一般有兩種途徑采用光電耦合器，或是利用脈沖變壓器來提供電氣隔離。光電耦合器的優(yōu)點(diǎn)是體積小巧，缺點(diǎn)是A、反應(yīng)較慢，因而具有較大的延遲時(shí)間高速型光耦一般也大于500NS；B、光電耦合器的輸出級(jí)需要隔離的輔助電源供電。用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件有三種方法無源、有源和自給電源驅(qū)動(dòng)。無源方法就是用變壓器次級(jí)的輸出直接驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，這種方法很簡(jiǎn)單，也不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電源，但由于絕緣柵功率器件的柵源電容CGS一般較大，因而柵源間的波形VGS將有明顯變形，除非將初級(jí)的輸入信號(hào)改為具有一定功率的大信號(hào)，相應(yīng)脈沖變壓器也應(yīng)取較大體積。有源方法中的變壓器只提供隔離的信號(hào)，在次級(jí)另有整形放大電路來驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件，當(dāng)然驅(qū)動(dòng)波形好，但是需要另外提供隔離的輔助電源供給放大器。而輔助電源如果處理不當(dāng)，可能會(huì)引進(jìn)寄生的干擾。自給電源方法的已有技術(shù)是對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行高頻1MHZ以上調(diào)制，該信號(hào)加在隔離脈沖變壓器的初級(jí)，在次級(jí)通過直接整流得到自給電源，而原PWM調(diào)制信號(hào)則需經(jīng)過解調(diào)取得，顯然，這種方法并不簡(jiǎn)單,價(jià)格當(dāng)然也較高。調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是可以傳遞的占空比不受限制。分時(shí)式自給電源是北京落木源公司的創(chuàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是變壓器在輸入PWM信號(hào)的上升和下降沿只傳遞PWM信息，在輸入信號(hào)的平頂階段傳遞驅(qū)動(dòng)所需要的能量，因而波形失真很小。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是占空比一般只能達(dá)到595。14主要研究?jī)?nèi)容本文旨在研究IGBT工作特性，以及驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，本文的研究?jī)?nèi)容如下第二章主要針對(duì)絕緣柵雙擊晶體管（IGBT）的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)和元件特性進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹和了解。其中介紹了IGBT的基本工作原理及其基本特性。敘述了IGBT的導(dǎo)通條件及在其中詳細(xì)論述了IGBT的基本特性的靜態(tài)特性中的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性伏安特性的內(nèi)容，通過其中的波形圖可以具體的掌握其特性的知識(shí)。同時(shí)，還介紹了IGBT的動(dòng)態(tài)特性，介紹了IGBT開關(guān)過程中的柵射電壓UGE、集電極電流IC、集射電壓UCE的波形及其中的工作特性。并在最后對(duì)現(xiàn)有品牌的大功率IGBT模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的初步介紹和選取。第三章是針對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了討論并設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路。本章的前面針對(duì)包括了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)，同時(shí)也介紹了幾種常見的IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，包括阻尼濾波門極驅(qū)動(dòng)電路、光耦合門極驅(qū)動(dòng)電路、脈沖變壓器直接驅(qū)動(dòng)IGBT的電路并同時(shí)舉例。本次IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)就是選擇了光耦合器門極驅(qū)動(dòng)。其中還對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的柵極電阻的選擇和其對(duì)于IGBT的影響和作用的討論。柵極電阻RG對(duì)于IGBT的正常穩(wěn)定的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，并且RG的選取也有很多要考慮的因素。在本章節(jié)內(nèi)容中還就參考的資料詳細(xì)的了解了RG和IGBT開關(guān)特性及柵極電阻的計(jì)算。第四章中分析了IGBT元件的保護(hù)，就IGBT的柵極保護(hù)、過流保護(hù)及IGBT開關(guān)過程中的過電壓保護(hù)和過熱保護(hù)分別進(jìn)行分析和學(xué)習(xí)。并同時(shí)羅列出各個(gè)模塊的舉例電路，根據(jù)所知的內(nèi)容為自己的IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)做好鋪墊，本章節(jié)的內(nèi)容對(duì)于設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路有很大的作用。最終設(shè)計(jì)出IGBT驅(qū)動(dòng)電路并進(jìn)行分析第五章是對(duì)隔離型IGBT驅(qū)動(dòng)電路的硬件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)該電路的工作原理進(jìn)行必要的講解，最后使用MULTISIM軟件對(duì)該電路進(jìn)行繪制。2IGBT的基本結(jié)構(gòu)及IGBT模塊選型21IGBT的結(jié)構(gòu)及工作原理IGBTINSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè)P型層。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)的文件建議，其各部分名稱基本沿用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示，IGBT在結(jié)構(gòu)上類似于MOSFET，其不同點(diǎn)在于IGBT是在N溝道功率MOSFET的N基板（漏極）上增加了一個(gè)P基板（IGBT的集電極），形成PN結(jié)J1，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET相似。正是由于IGBT是在N溝道MOSFET的N基板上加一層P基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由PNPNPN晶體管構(gòu)成IGBT。但是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使NPN不起作用。所以說，IGBT的基本工作與NPN晶體管無關(guān)，可以認(rèn)為是將N溝道MOSFET作為輸入極，PNP晶體管作為輸出極的單向達(dá)林頓管。圖1IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖由圖1可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR，其簡(jiǎn)化等效電路如圖2所。圖2N溝道IGBT的簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)電路圖圖中RFF是厚基區(qū)GTR的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR為主導(dǎo)件、MOSFET為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。圖3P溝道IGBT的簡(jiǎn)化電氣圖形符號(hào)對(duì)于P溝道，圖形符號(hào)中的箭頭方向恰好相反，如圖3所示。IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極加正電壓時(shí)，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。此時(shí)，從P區(qū)注到N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N區(qū)的電阻RFF值，使高耐壓IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓；IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；流過IGBT集電極發(fā)射極的電流；IGBT的結(jié)溫。如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動(dòng)電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極發(fā)射極的電流超過集電極發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能會(huì)永久性損壞。IGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極加正電壓時(shí)，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，此時(shí)，從P區(qū)注到N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N區(qū)的電阻RDR值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上加負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關(guān)斷。IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅(qū)動(dòng)電流跟驅(qū)動(dòng)功率都非常小，可直接與模擬或數(shù)字功能快相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷是由柵極電壓UGE來控制的，當(dāng)UGE大于UGETH時(shí)IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極和發(fā)射極施加反向或不加信號(hào)時(shí)，IGBT被關(guān)斷。IGBT和普通三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，起主要作為開關(guān)器件應(yīng)用。在驅(qū)動(dòng)電路主要研究飽和導(dǎo)通和截止兩個(gè)狀態(tài)，使其開通上升沿和關(guān)斷下降沿都比較陡峭。22IGBT的基本工作特性IGBT的靜態(tài)特性如下IGBT的伏安特性如圖4（A）所示，伏安特性是以柵射電壓UGE為參變量時(shí)，集電極電流IC和集射電壓UCE之間的關(guān)系曲線。IGBT的伏安特性也可分為飽和區(qū)、放大區(qū)和擊穿區(qū)三個(gè)部分。在正向?qū)ǖ拇蟛糠謪^(qū)域內(nèi)，IC與UCE呈線性關(guān)系，此時(shí)IGBT工作于放大區(qū)內(nèi)。對(duì)應(yīng)著伏安特性明顯彎曲部分，這時(shí)IC與UCE呈非線性關(guān)系，此時(shí)IGBT工作于飽和區(qū)。開關(guān)器件IGBT常工作于飽和狀態(tài)和阻斷狀態(tài)，若IGBT工作于放大狀態(tài)將會(huì)增大IGBT的損耗。IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系曲線。如圖4B所示，它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵射電壓小于開啟電壓UGETH時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)UGEUGETH時(shí),導(dǎo)通IGBT在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，IC與UGE呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。圖4IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性IGBT的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值基地。盡管等效電路圖為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓UDSON可用下式表示（2OHDFJONRIU1DS1）式中UJ1JI結(jié)的正向電壓，其值為071V；UFF擴(kuò)展電阻RFF上的壓降；ROH溝道電阻。通態(tài)電流IDS可用下式表示（22）MOSPNIB1IDS式中IMOS流過MOSFET的電流。由于N區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為23V。IGBT的動(dòng)態(tài)特性如下圖5是IGBT開關(guān)過程的波形圖。IGBT在開通過程與電力MOSFET的開通過程很相似。這是因?yàn)镮GBT在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的。如圖所示，從驅(qū)動(dòng)電壓UGE的前沿上升至其幅值的10的時(shí)刻，到集電極的電流IC上升至其幅值的10的時(shí)刻止，這段時(shí)間為開通延遲時(shí)間TDON，而IC從10ICM上升至90ICM所需的時(shí)間為電流的上升時(shí)間TR。同樣，開通時(shí)間TON為開通延時(shí)時(shí)間與上升時(shí)間之和。開通時(shí)，極射電壓UCE的下降過程由TFU1和TFU2兩段。前者為IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；后者為MOSFET何PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。由于UGE下降時(shí)IGBT的MOSFET柵漏電容增加，而且IGBT中的PNP晶體管由放大狀態(tài)轉(zhuǎn)入飽和狀態(tài)也需要一個(gè)過程，因此,TFU1段電壓下降過程變緩。只有在TFU2段結(jié)束時(shí)，IGBT才完全進(jìn)入飽和狀態(tài)。圖5IGBT的開關(guān)過程IGBT關(guān)斷時(shí)，從驅(qū)動(dòng)電壓UGE的脈沖后沿下降到其幅值的90的時(shí)刻起，到集電極電流下降到90ICM止，這段時(shí)間為關(guān)斷延時(shí)時(shí)間TDOFF；集電極電流從90ICM下降到10ICM的這段時(shí)間為電流下降時(shí)間。二者之和為關(guān)斷時(shí)間TOFF。電流下降時(shí)間可以分為TF1和TF2兩段。其中TF1對(duì)應(yīng)IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程。這段時(shí)間集電極電流IC下降較快；TF2對(duì)應(yīng)IGBT內(nèi)部的PNP的關(guān)斷過程，這段時(shí)間內(nèi)MOSFET已經(jīng)關(guān)斷，IGBT又無反向電壓，所以N基區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合緩慢，造成IC下降較慢。IGBT的擎住效應(yīng)IGBT為四層結(jié)構(gòu)，存在一個(gè)寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在個(gè)體區(qū)短路電阻，P型體區(qū)的橫向空穴流過此電阻會(huì)產(chǎn)生一定壓降，對(duì)J3結(jié)相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不會(huì)使NPN晶體管導(dǎo)通；當(dāng)IC大到一定程度時(shí)，該偏置電壓使NPN晶體管開通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。23IGBT模塊選型目前市場(chǎng)上面的IGBT模塊產(chǎn)品很多，例如三菱、富士、東芝、三社、西門子、英飛凌，IR等品牌。例如三菱的H系列（標(biāo)準(zhǔn)型）中高壓大電流的CM600HA24H型號(hào)為一單元的IGBT模塊可以承受的最大電壓值為1200V，最大電流值為600A，工作電路中的柵極電阻RG可選取為左右。三菱的NFH系列中的CM600DU24NFH的最大耐壓12值和最大電流值與CM600HA24H模塊相同，但是CM600DU24NFH模塊是雙單元結(jié)構(gòu)，而且其柵極電阻RG的取值范圍為。現(xiàn)在常用大功率的IGBT模塊中，雙單元502的模塊為主流趨勢(shì)。本次設(shè)計(jì)選取的是IGBT模塊為英飛凌的FF450R12KT4,其也是雙單元模塊，該模塊的最大的電壓值為1200V，最大電流值為450A，開關(guān)頻率為20KHZ，其驅(qū)動(dòng)電路中的柵極電阻RG在左右。其模塊內(nèi)的連接電路圖如圖6所示。3圖6FF450R12KT4模塊電路圖3IGBT驅(qū)動(dòng)研究31驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的大小將對(duì)電路性能產(chǎn)生重要影響，必須正確選擇。當(dāng)正向驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí),IGBT的導(dǎo)通電阻下降，使開通損耗減小；但若正向驅(qū)動(dòng)電壓過大則負(fù)載短路時(shí)其短路電流IC隨UGE增大而增大，可能使IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅(qū)動(dòng)電壓過小會(huì)使IGBT退出飽和導(dǎo)通區(qū)而進(jìn)入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12VUGE15V為好。柵極負(fù)偏置電壓可防止由于關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，一般負(fù)偏置電壓選5V為宜。另外，IGBT開通后驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)提供足夠的電壓和電流幅值，使IGBT在正常工作及過載情況下不致退出飽和導(dǎo)通區(qū)而損壞。IGBT快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。但在大電感負(fù)載下IGBT的開關(guān)頻率不宜過大，因?yàn)楦咚匍_通和關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極有可能造成IGBT或其他元器件被擊穿。選擇合適的柵極串聯(lián)電阻RG和柵射電容CG對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要。RG較小，柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)比較小，會(huì)使開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；RG較大，有利于抑制DVCE/DT但會(huì)增加IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗。合適的CG有利于抑制DI/DT，CG太大，開通時(shí)間延時(shí)，CG太小對(duì)抑制DIC/DT效果不明顯。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，使柵射電壓引起器件誤導(dǎo)通，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，可以在柵射間并接一個(gè)電阻。此外，在實(shí)際應(yīng)用中為防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應(yīng)與正負(fù)柵壓相同。32IGBT的驅(qū)動(dòng)電路選型阻尼濾波門極驅(qū)動(dòng)電路，為了消除可能的振蕩現(xiàn)象，IGBT的柵射極間接上RC網(wǎng)絡(luò)組成阻尼濾波器且連線采用雙絞線。為使IGBT能穩(wěn)定工作,IGBT驅(qū)動(dòng)電路采用正負(fù)偏壓雙電源工作方式。門極驅(qū)動(dòng)電路的輸出線為絞合線。為抑制輸入信號(hào)的振蕩現(xiàn)象,在門源端并聯(lián)一阻尼網(wǎng)絡(luò),由1電阻和033F電容器組成阻尼振蕩器。另外,驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)與IGBT的輸入端之間的連接串有一只10的門極電阻，其電路圖如圖7所示。圖7阻尼濾波電路光耦合器門極驅(qū)動(dòng)電路，輸入信號(hào)UI經(jīng)光電耦合器隔離后引入驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)放大器放大由推換電路V2、V3向IGBT提供門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。V2通過UC得到一個(gè)正向門極電壓，當(dāng)V2截止，V3導(dǎo)通時(shí)得到一個(gè)負(fù)的門極電壓并截止。另外設(shè)計(jì)了過電流保護(hù)裝置。當(dāng)過電流信號(hào)來時(shí)，IGBT脫離飽和狀態(tài)，UDS升高，VD1檢測(cè)到該信號(hào)，一方面通過光耦V1向控制回路發(fā)信號(hào)，另一方面在較短的時(shí)間內(nèi)降低門極電壓使IGBT關(guān)斷。日本富士公司的EXB84系列采用這種驅(qū)動(dòng)器形式。光耦合門極驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。圖8光耦合門極驅(qū)動(dòng)電路脈沖變壓器直接驅(qū)動(dòng)IGBT的電路，由于是電磁隔離方式，驅(qū)動(dòng)級(jí)不需要專門直流電源，簡(jiǎn)化了電源結(jié)構(gòu)。由控制脈沖生成單元產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)晶體管V進(jìn)行功率放大后加到脈沖變壓器T，并由T隔離耦合經(jīng)穩(wěn)壓管VDZ1，VDZ2限幅后驅(qū)動(dòng)IGBT驅(qū)動(dòng)級(jí)不需專門的直流電源，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，且工作頻率高，可達(dá)10KHZ左右。其電路圖如圖9所示。圖9脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路33IGBT驅(qū)動(dòng)電路中柵極電阻的研究331柵極電阻的作用消除柵極振蕩，絕緣柵器件IGBT、MOSFET的柵射（或柵源）極之間是容性結(jié)構(gòu)，柵極回路的寄生電感又是不可避免的，如果沒有柵極電阻，那柵極回路在驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)脈沖的激勵(lì)下要產(chǎn)生很強(qiáng)的振蕩，因此必須串聯(lián)一個(gè)電阻加以迅速衰減。轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)器的功率損耗，電容電感都是無功元件，如果沒有柵極電阻，驅(qū)動(dòng)功率就將絕大部分消耗在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的輸出管上，使其溫度上升很多。調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的通斷速度，柵極電阻小，開關(guān)器件通斷快，開關(guān)損耗?。环粗畡t慢，同時(shí)開關(guān)損耗大。但驅(qū)動(dòng)速度過快將使開關(guān)器件的電壓和電流變化率大大提高，從而產(chǎn)生較大的干擾，嚴(yán)重的將使整個(gè)裝置無法工作，因此必須統(tǒng)籌兼顧。332柵極電阻的選取柵極電阻阻值的確定，各種不同的考慮下，柵極電阻的選取會(huì)有很大的差異。不同品牌的IGBT模塊可能有各自的特定要求，可在其參數(shù)手冊(cè)的推薦值附近調(diào)試。柵極電阻功率的確定，柵極電阻的功率由IGBT柵極驅(qū)動(dòng)的功率決定，一般來說柵極電阻的總功率應(yīng)至少是柵極驅(qū)動(dòng)功率的2倍。IGBT柵極驅(qū)動(dòng)功率PFUQ，其中F為工作頻率；U為驅(qū)動(dòng)輸出電壓的峰峰值；Q為柵極電荷，可參考IGBT模塊參數(shù)手冊(cè)。例如，常見IGBT驅(qū)動(dòng)器如TXKA101輸出正電壓15V，負(fù)電壓9V，則U24V，假設(shè)F10KHZ，Q28C,則可計(jì)算出P067W，柵極電阻應(yīng)選取2W電阻，或2個(gè)1W電阻并聯(lián)。333設(shè)置柵極電阻的注意事項(xiàng)盡量減小柵極回路的電感阻抗，這就要使得驅(qū)動(dòng)器靠近IGBT減小引線長(zhǎng)度，同時(shí)驅(qū)動(dòng)的柵射極引線絞合，并且不要用過粗的線，而且線路板上的兩根驅(qū)動(dòng)線的距離盡量靠近，還有柵極電阻使用無感電阻；如果是有感電阻，可以用幾個(gè)并聯(lián)以減小電感。IGBT開通和關(guān)斷選取不同的柵極電阻。通常為達(dá)到更好的驅(qū)動(dòng)效果，IGBT開通和關(guān)斷可以采取不同的驅(qū)動(dòng)速度，分別選取RGON和RGOFF（也稱RG和RG）往往是很必要的。IGBT驅(qū)動(dòng)器有些是開通和關(guān)斷分別輸出控制，只要分別接上RGON和RGOFF就可以了。有些驅(qū)動(dòng)器只有一個(gè)輸出端，這就要在原來的RG上再并聯(lián)一個(gè)電阻和二極管的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，用以調(diào)節(jié)2個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)速度。在IGBT的柵射極間接上RGE10100K電阻，防止在未接驅(qū)動(dòng)引線的情況下，偶然加主電高壓，通過米勒電容燒毀IGBT。所以用戶最好再在IGBT的柵射極或MOSFET柵源間加裝RGE。334柵極電阻和IGBT的關(guān)系討論柵極電阻影響IGBT的開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、反向偏置安全運(yùn)行區(qū)域、短路電流安全運(yùn)行區(qū)域、EMI、DV/DT、DI/DT和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流。柵極電阻必須按照各個(gè)應(yīng)用參數(shù)仔細(xì)選擇和優(yōu)化，如IGBT技術(shù)、二極管、開關(guān)頻率、損耗、應(yīng)用布局、電感/雜散電感、直流環(huán)節(jié)電壓和驅(qū)動(dòng)能力。下面以西門康公司的AN7003IGBT12為例進(jìn)行對(duì)柵極電阻的討論。IGBT開關(guān)特性與RG，每個(gè)IGBT的開關(guān)特性的設(shè)定可受外部電阻RG的影響。由于IGBT得輸入電容在開關(guān)期間是變化的，必須被充放電，柵極電阻由通過的限制導(dǎo)通和關(guān)斷期間柵極電流（IG）脈沖的幅值需要多長(zhǎng)時(shí)間來決定。圖10導(dǎo)通和關(guān)閉的柵極電流流向由于柵極峰值電流的增加，導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間將會(huì)縮短且開關(guān)損耗也將會(huì)減少。減少RGON和RGOFF的組織會(huì)影響柵極峰值電流。下列圖表顯示開關(guān)損耗和開關(guān)時(shí)間依賴于選定的柵極電阻。圖11開關(guān)損耗和開關(guān)時(shí)間與RG的關(guān)系當(dāng)減小柵極電阻的阻值時(shí)，需要考慮的是當(dāng)大電流被過快地切換時(shí)所產(chǎn)生的DI/DT。這是由于電路中存在雜散電感，它在IGBT上產(chǎn)生的電壓尖峰，該電涌電壓可由下式估計(jì)。（3TIDL/VSTARY1）這一部分影響可在下圖的IGBT關(guān)斷是的波形上觀察到。圖中的陰影部分顯示了關(guān)斷損耗的相對(duì)值。集電極發(fā)射極電壓上的瞬間電壓尖峰可能會(huì)損壞IGBT，特別是在短路關(guān)斷操作的情況下，因?yàn)镈I/DT比較大。正如下圖所示，可通過增加?xùn)艠O電阻的阻值來減小VSTARY。因此，消除了出于過電壓而帶來的IGBT被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。圖12IGBT開通和關(guān)斷波形圖根據(jù)半橋配置中上臂IGBT（上部）和下管IGBT（下部）間的互鎖/死區(qū)時(shí)間，柵極電阻對(duì)延遲時(shí)間的影響要加以考慮。大的RGOFF增加IGBT的下降時(shí)間，這