1、華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）目錄綜 述4Summary6第1章 蓄電池充電特性及充電技術(shù)現(xiàn)狀91.1蓄電池充電特性91.2蓄電池充電過程9第二章 IGBT特性102.1 IGBT的基本結(jié)構(gòu)102.2 IGBT的工作原理132.3 IGBT的工作特性132.3.1 靜態(tài)特性132.3.2 動(dòng)態(tài)特性142.4 IGBT的擎住效應(yīng)與安全工作區(qū)152.4.1 擎住效應(yīng)152.4.2 安全工作區(qū)162.5 柵極特性172.6 柵極串聯(lián)電阻及柵極驅(qū)動(dòng)波形的上升、下降速率192.7 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路212.7.1 IGBT 的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù)212.7.2 驅(qū)動(dòng)電路的要求222.7.3 模塊驅(qū)動(dòng)中對電源的要

2、求232.8 驅(qū)動(dòng)電路的種類232.8.1 采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)IGBT232.8.2 采用光耦合器等分立元器件驅(qū)動(dòng)IGBT242.8.3 專用光耦合器等分立元器件驅(qū)動(dòng)IGBT242.9 IGBT 模塊保護(hù)252.9.1 IGBT的過電流保護(hù)252.9.2 IGBT的過壓保護(hù)252.9.3 IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路252.9.4 緩沖電路的基本結(jié)構(gòu)26第3章 高頻變壓器特性28第4章 DC/DC變換原理294.1 一般情況294.2 工作周期29第5章 元器件的選擇及參數(shù)計(jì)算305.1 關(guān)鍵元器件的選擇305.2 IGBT的選擇305.3 次級快恢復(fù)整流二極管的選擇315.4 緩沖電路的計(jì)

3、算325.5 高頻變壓器的設(shè)計(jì)325.5.1 AP法公式推倒325.5.2 變壓器視在功率的確定345.5.3 窗口使用系數(shù)的確定355.5.4 磁心結(jié)構(gòu)常數(shù)355.5.5 AP的計(jì)算365.6 三相全控橋整流電路的計(jì)算385.7 濾波電容、電感的計(jì)算395.7.1支撐電容C1的計(jì)算395.7.2 濾波LC的計(jì)算39第6章 散熱計(jì)算396.1 開關(guān)管IGBT散熱計(jì)算406.1.1 功率器件熱性能的主要參數(shù)406.1.2 功率器件熱設(shè)計(jì)406.1.3 散熱計(jì)算406.2 快恢復(fù)二極管散熱計(jì)算426.3 散熱器的選取42第7章充電器原理及硬件設(shè)計(jì)437.1 充電器主電路硬件設(shè)計(jì)437.1 充電器工

4、作原理43第8章 MATLAB仿真448.1 MATLAB的概況448.2 MATLAB產(chǎn)生的歷史背景458.3 MATLAB的語言特點(diǎn)468.4 SIMULINK概況478.5 SIMULINK仿真48結(jié)論51參考文獻(xiàn)51致 謝52礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器主電路的研究設(shè)計(jì)綜述：本課題以礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器實(shí)際科研課題為背景，可以作為實(shí)際科研項(xiàng)目的一個(gè)功能模塊。蓄電池是礦廠在井下必不可少的能源，省去電纜的傳輸，減少危險(xiǎn)的發(fā)生，方便生產(chǎn)，保障安全。高頻智能充電器縮小了體積，運(yùn)輸方便，可以隨時(shí)給蓄電池補(bǔ)充能量。并對充電電壓和充電電流及電池溫度進(jìn)行著檢測，判斷蓄電池是否充滿，是否發(fā)生

5、故障，保證充電安全?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，智能充電器廣泛應(yīng)用于礦廠、現(xiàn)代工業(yè)的各個(gè)行業(yè)。因此，設(shè)計(jì)礦用鉛酸蓄電池組高頻智能充電器是十分必要的。鉛酸蓄電池具有維護(hù)簡單、價(jià)格低廉、供電可靠、電壓穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在礦廠、國防、通信、鐵路、交通、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門；還可以作為汽車、飛機(jī)、輪船等機(jī)動(dòng)車輛或發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)電源；也在各類需要不間斷供電的電子設(shè)備和便攜式儀器儀表中用作一些電器及控制回路的工作電源。尤其在環(huán)境惡劣的礦廠，蓄電池是必需品，它不僅能保證人身安全，還很方便省去了電纜運(yùn)輸帶來的不便。如果蓄電池沒電，那么人們最先想到的就是蓄電池充電器。充電器是蓄電池的源泉，基于此，本文提出了一種礦

6、用鉛酸蓄電池組充電器主電路的設(shè)計(jì)方案，采用先進(jìn)的三段式充電控制方法，有效地提高充電效率，延長電池壽命。 隨著電力電子變換技術(shù)的發(fā)展，使得各種各樣的電力電子器件得到了迅速的發(fā)展。20世紀(jì)80年代，為了給高電壓應(yīng)用環(huán)境提供一種高輸入阻抗的器件，有人提出了絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）。在IGBT中，用一個(gè)MOS門極區(qū)來控制寬基區(qū)的高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了一種具有功率MOSFET的高輸入阻抗與雙極型器件優(yōu)越通態(tài)特性相結(jié)合的非常誘人的器件。它既有MOSFET易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大的優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)

7、，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用占據(jù)了主要地位。IGBT是電壓控制型器件，在它的柵射極間施加十幾伏直流電壓時(shí)，只會(huì)有毫微安級的漏電流流過，基本上不消耗功率。但I(xiàn)GBT的柵射極間存在著較大的電容量（幾千至上萬pF），在驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需提供數(shù)安培的沖放電電流，才能滿足它開通和關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必需輸出一定的峰值電流。電路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為輸入電壓380V，輸出電壓100V250V連續(xù)可調(diào)，輸出最大電流80A，工作頻率：20kHz，溫升：25 ，工作環(huán)境條件:2570 。本文首先介紹了蓄電池充電特性、IGBT特性及高頻變壓器特性，緊接著分析了DC/DC變換的工

8、作原理，然后介紹了元器件的選型及參數(shù)計(jì)算，分析電路原理設(shè)計(jì)出原理圖，并且闡述了蓄電池工作原理，最后用MATLAB中的SIMULINK進(jìn)行結(jié)果的仿真。對于蓄電池充電的原理問題，本文采用了三段式充電的原理即快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電三個(gè)階段區(qū)別于傳統(tǒng)定電壓充電和定電流充電方式，這種方式提高電池的充電效率，縮短充電時(shí)間，并能有效延長電池壽命。這種三段式的充電方式通過C8051單片機(jī)進(jìn)行智能控制。充電器主電路具體控制方法為首先采用三項(xiàng)全橋整流電路將380V交流電變成直流電，經(jīng)過支撐電容濾波后送入逆變電路，逆變電路采用單項(xiàng)全橋逆變電路，逆變器件選用IGBT開關(guān)管，逆變后的電壓送入高頻變壓器的輸入端，然

9、后高頻變壓器的輸出端經(jīng)過全波整流電路，LC濾波電路后給蓄電池充電。高頻變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)方法有兩種即AP法和KG法，本文采用AP法設(shè)計(jì)，并詳細(xì)的介紹了AP法的公式推倒和實(shí)際計(jì)算方法。最后，主電路的仿真采用MATLAB中的SIMULINK進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的蓄電池充電器主電路達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。關(guān)鍵詞:IGBT;DC/DC變換;高頻變壓器;MATLABMineral product plumbous acid battery unit high frequency intelligence battery charger main circuit research design

10、Summary: This topic take the mineral product plumbous acid battery unit high frequency intelligence battery charger actual scientific research topic as a background,can take the ac- tual scientific research item a function module. The accumulator cell is the mine in the mi- ne shaft essential energy

11、, omits the electric cable the transmission, reduces the dangerous the occur rence, facilitates the production, the safeguard security. The high frequency intel- ligent battery charger reduced the volume, the transportation has been convenient, might give the accumulator cell supplementary energy as

12、 necessary. And is carrying on the exam- ination to the charging voltage and the charging current and the battery temperature, judges the accumulator cell whether fills, whether breaks down, guarantee charge security.Based on these merits, the intelligent battery charger widely applies in the mine,

13、modern industry each profession. Therefore, the design mineral product plumbous acid battery unit high frequency intelligence battery charger is extremely essential.The lead-acid battery has the maintenance simply, the price inexpensive, the power s- upply reliable, voltage regulation, the service l

14、ife long and so on the merits, therefore wide- ly applies in the mine, the national defense, the correspondence, the railroad, the transport- ation, the industry and agriculture production department; Also may take the automobile,t- he airplane, the steamboat and so on the motor vehicle or power set

15、's start power source;A- lso serves as some electric appliances and the control loop work power source in each kind of need uninterrupted power supply electronic installation and in the portable instrument measuring appliance. In the environment bad mine, the accumulator cell is especially the e

16、ssential item, not only it can guarantee the personal safety, but also has very conveniently omitted inconvenient which the electric cable transportation brings.If the accumulator cell does not have the electricity, then the people think are the battery chargers first.The battery charger is the accu

17、mulator cell fountainhead, based on this, this article proposed one kind of mineral product plumbous acid battery unit battery charger main circuit design proposal, uses the advanced triadic charge control method, enhances the charge efficiency effectively, lengthens the battery life.Along with the

18、electric power electron transformation technology development,enabl- ed various electric power electronic device to obtain the rapid development.1980s, in order to provides one kind of high input impedance to the high voltage using the environment the component, some people proposed insulation gate

19、extremely double pole transistor (IGBT). In IGBT, controls the width base extremely with a MOS gate area the high voltage double pole transistor electric current transmission, this produced one kind to have the power MO- SFET high input impedance and the double pole component superiorly passes the e

20、xtreme- ly attractive component which condition the characteristic unified.It both has the character- istic which MOSFET easy to actuate, and has the power transistor voltage, the current cap- acity big merit. Its frequency characteristic is situated between MOSFET and between the power transistor,

21、but normal work in several dozens kHz frequency range, therefore in the high frequency big, the middle application of power occupied the main status.IGBT is the voltage control component, exerts several volt DC voltages when between its grid - emitter, only can have the nanoampere level to leak the

22、electric current to flow, basically consumed power. But between the IGBT grid-emitter has the great electric capacity (several thousand to up to ten thousand pF), along must provide several amperes in the actuation pulse volta- ge rise and the drop to flush the discharging current, can satisfy the d

23、ynamic request which it clears and shuts off, causes its actuation electric circuit also essential output certain peak value electric current.Electric circuit design standard for input voltage 380V, output voltage 100V-250V continuously adjustable, output maximum current 80A, operating frequency: 20

24、kHz,temp- erature rise: +25, working conditions condition: - 25+70.This article first introduced the battery charging characteristic, the IGBT characteristic and the high-frequency transformer characteristic, the following closely has analyzed the DC/DC transformation principle of work, then introdu

25、ced the primary device shaping and the parameter computation, analyzes the circuitry to design the schematic diagram, and ela- borated the accumulator cell principle of work, finally uses in MATLAB SIMULINK to carr- y on the result the simulation.Regarding the battery charging principle question, th

26、is article used the triadic charge principle namely rapid charge rate, has made up the charge, the trickling charge three stage distinguishes in the tradition decides the voltage charge and decides the electric current ch- arge way, this way enhanced the battery the charge efficiency, reduced the du

27、ration of char- ging, and could lengthen the battery life effectively.This triadic charge way carries on the i- ntelligent control through the c8051 monolithic integrated circuit. The battery charger main circuit concrete control method for first uses three item of entire bridge leveling circuit to

28、turn the 380V alternating current the direct current, enters the contravariant electric circuit after the support electric capacity filter evacuation, inverts the electric circuit to use the sin- gle item entire bridge inversion electric circuit, inverts the component to select the IGBT switching va

29、lve, after the contravariant voltage sends in the high-frequency transformer the input end, then high-frequency transformer out-port after full-wave rectification electric ci- rcuit, after LC filter circuit to battery charging. The high-frequency transformer parameter design method has two kinds is

30、the AP law and the KG law, this article uses the AP law de- sign, and the detailed introduction AP law formula has overthrown with the actual comput- ational method Finally, the main circuit simulation uses in MATLAB SIMULINK to carry on the simulation experiment, the simulation experiment result in

31、dicated, this article designs the battery charger main circuit has achieved the anticipated goal.Keyword: IGBT; DC/DC transformation; High-frequency transformer; MATLAB第1章 蓄電池充電特性及充電技術(shù)現(xiàn)狀 1.1 蓄電池充電特性容量和壽命是蓄電池的重要參數(shù)，蓄電池的額定容量（C）通常作為電池充放電速率的單位，例如100A·h的蓄電池，采用20A電流充電時(shí)，充電速率為C/5。不正確的充電方式不僅會(huì)降低電池的儲(chǔ)能容量，還會(huì)

32、縮短電池的使用壽命。上世紀(jì)60年代末期，美國科學(xué)家馬斯（Mascc）提出了以最低出氣率為前提的蓄電池可接受充電電流曲線如圖1所示，其充電電流軌跡為一條呈指數(shù)規(guī)律下降的曲線。圖1    蓄電池可接受充電電流曲線傳統(tǒng)的充電方式無論是定電壓充電還是定電流充電均不能提高電池的充電效率，而依據(jù)圖2充電曲線提出的三段式充電理論則可以大大提高電池的充電效率，縮短充電時(shí)間，并能有效延長電池壽命。三段式充電采用先恒流充電，再恒壓充電，最后采用浮充進(jìn)行維護(hù)充電。一般分為快速充電、補(bǔ)足充電、涓流充電三個(gè)階段如圖2所示。 1.2 蓄電池充電過程(1)快速充電階段：用大電流對電池進(jìn)行充電以

33、迅速恢復(fù)電池電能，充電速率可以達(dá)1C以上，此時(shí)充電電壓較低，但會(huì)限制充電電流在一定數(shù)值范圍之內(nèi)。 (2)補(bǔ)足充電階段：相對于快速充電階段，補(bǔ)足充電階段又可以稱為慢速充電階段。當(dāng)快速充電階段終止時(shí)，電池并未完全充足，還需加入補(bǔ)足充電過程，補(bǔ)足充電速率一般不超過0.3C，因?yàn)殡姵仉妷航?jīng)過快速充電階段后有所升高，所以補(bǔ)足充電階段的充電電壓也應(yīng)該有所提升，并且恒定在一定范圍之內(nèi)。 (3)涓流充電階段：在補(bǔ)足充電階段后期，當(dāng)檢測到溫度上升超過極限值或充電電流減小到一定值之后，開始用更小的電流進(jìn)行充電直至滿足一定的條件后結(jié)束充電。 圖2 充電曲線圖第2章 IGBT特性2.1 IGBT的基本結(jié)構(gòu) 絕緣柵雙極

34、晶體管本質(zhì)上是一個(gè)場效應(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)國際電工委員會(huì)IEC/TC（CO）1339文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 圖3所示為一個(gè)N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，N+區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P型區(qū)（包括P+和P-區(qū)，溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（Subchannel region）。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（Drain injector），它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PN

35、P雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。 為了兼顧長期以來人們的習(xí)慣，IEC 規(guī)定：源極引出的電極端子（含電極端）稱為發(fā)射極端（子），漏極引出的電極端（子）稱為集電極端（子）。這又回到雙極晶體管的術(shù)語了。但僅此而已。 圖3 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)IGBT 的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖4所示。它在結(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。 圖4 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖

36、由圖4可以看出，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR，其簡化等效電路如圖5所示。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)。 N溝道IGBT的圖形符號有兩種，如圖6所示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常使用圖6示的符號。對于P溝道，圖形符號中的箭頭方向恰好相反，如圖7所示。圖5 IGBT的簡化等效電路 圖6 N-IGBT的圖形符號 圖7 P-IGBT的圖形符號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

37、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。 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。 采取這樣的結(jié)構(gòu)可在N-層作電導(dǎo)率調(diào)制，提高電流密度。這是因?yàn)閺腜+基板經(jīng)過N+層向高電阻的N-層注入少量載流子的結(jié)果。IGBT的設(shè)計(jì)是通過P

38、NPNPN晶體管的連接形成晶閘管。2.2 IGBT的工作原理     IGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關(guān)斷。IGBT的驅(qū)動(dòng)方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-溝道MOSFET,所以具有高輸入阻抗特性。 當(dāng)MOSFET的溝道形成后,從P+基極注入到N-層的空穴（少子），對N-層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N一層的電阻,使IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。 2.3 IGBT的工作特性 2.3.1靜態(tài)特性 IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性

39、、轉(zhuǎn)移特性和 開關(guān)特性。 IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1、放大區(qū)2和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。 IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時(shí)，IGBT處于關(guān)

40、斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與UGS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。 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值極低。盡管等效電路為達(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Uds(on)可用下式表示           Uds(on) Uj1 Udr IdRoh  （2-1） 式中 Uj1JI結(jié)的正向電壓，

41、其值為 0.7 IV ；      Udr擴(kuò)展電阻Rdr上的壓降；      Roh溝道電阻。 通態(tài)電流 Ids 可用下式表示：                         Ids=(1+Bpnp)Imos    &

42、#160;     (2-2） 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處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。 2.3.2 動(dòng)態(tài)特性 IGBT在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on)為開通延遲時(shí)間,tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間ton即為td(on)、tri之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1和tfe2組成，如圖8所示 &

43、#160;  圖8 開通時(shí)IGBT的電流、電壓波形IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖9中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間                    t(o

44、ff)=td(off)+trv 十 t(f) （2-3） 式中，td(off)與trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。                        圖9 關(guān)斷時(shí)IGBT的電流、電壓波形 2.4 IGBT的擎住效應(yīng)與安全工作區(qū) 2.4.1擎住效應(yīng) 在分析擎住效應(yīng)之前，我們先回顧一下IGBT的工作原理（這里假定不發(fā)生擎住效應(yīng)）。   (1)當(dāng)Uc

45、e0時(shí),J3反偏，類似反偏二極管，IGBT反向阻斷； (2)當(dāng)Uce0時(shí)，在Uc<Uth的情況下，溝道未形成，IGBT正向阻斷；在 Uo Uth 情況下，柵極的溝道形成，N+區(qū)的電子通過溝道進(jìn)入N-漂移區(qū)，漂移到J3結(jié)，此時(shí)J3結(jié)是正偏，也向N-區(qū)注入空穴，從而在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使IGBT正向?qū)ā?(3)IGBT的關(guān)斷。在IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，當(dāng)柵極電壓減至為零，此時(shí)Ug0Uth,溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使Ic有一個(gè)突降。但由于N-區(qū)注入大量電子、空穴對,IC不會(huì)立刻為零，而有一個(gè)拖尾時(shí)間。 IGBT為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個(gè)奇生晶體管，其等效電路如圖10所示。在V2的基

46、極與發(fā)射極之間并有一個(gè)擴(kuò)展電阻Rbr，在此電阻上P型體區(qū)的橫向空穴會(huì)產(chǎn)生一定壓降，對J3結(jié)來說，相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不大，V2不起作用，當(dāng)Id大到一定程度時(shí)，該正偏置電壓足以使V2開通，進(jìn)而使V2和V3處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶體管開通，柵極失去控制作用，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，造成過高損耗，導(dǎo)致?lián)p壞?？梢?，漏極電流有一個(gè)臨界值Idm，當(dāng)IdIdm時(shí)便會(huì)產(chǎn)生擎住效應(yīng)。 圖10 具有寄生晶體管的IGBT等效電路在IGBT關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過程中，假若dUds/dt過高，那么在J2結(jié)中引起的位移電流 Cj2（dUds/dt）會(huì)越大

47、，當(dāng)該電流流過體區(qū)擴(kuò)展電阻Rbr時(shí)，也可產(chǎn)生足以使晶體管V2開通的正向偏置電壓，滿足寄生晶體管開通擎住的條件，形成動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。使用中必須防止 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)，為此可限制 Idm 值，或者用加大柵極電阻Rg的辦法延長IGBT關(guān)斷時(shí)間，以減少dUds/dt值。 值得指出的是，動(dòng)態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住所允許的要小，Id值是按動(dòng)態(tài)擎住所允許的最大漏極電流來確定的。 2.4.2安全工作區(qū) 安全工作區(qū)（SOA）反映了一個(gè)晶體管同時(shí)承受一定電壓和電流的能力。IGBT開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA），由電流、電壓和損耗三條邊界極限包圍而成。最大漏極電流Idm是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而設(shè)定

48、的，最大漏源電壓Udsm是由IGBT中晶體管V3的擊穿電壓所確定，最大損耗則是由最高允許結(jié)溫所決定。導(dǎo)通時(shí)間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)則越窄，如圖11所示。 IGBT的反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）如圖11所示，它隨IGBT關(guān)斷時(shí)的dUds /dt而改變，dUds/dt越高，RBSOA越窄。圖11 IGBT的安全工作區(qū)a）IGBT的正向偏置 b）IGBT的反向偏置2.5 柵極特性IGBT的柵極通過一層氧化膜與射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化層很薄，其擊穿電壓一般只能達(dá)2030V，因此柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生

49、電感和柵集極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生是氧化層損壞的振蕩電壓。為此通常采用絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號，以減小連線電感。在柵極連線中串聯(lián)小阻值電阻或小磁環(huán)也可以抑制不希望的振蕩電壓。在柵射極間并聯(lián)反串聯(lián)的穩(wěn)壓管或旁路電阻也是吸收柵極過電壓的有效措施。 IGBT的柵射和柵集極間存在著電容Cge和Cgc，在它的射極回路中存在著漏電感Le，由于這些分布參數(shù)的影響，使得IGBT的驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形產(chǎn)生了較大的變化、并產(chǎn)生了不利于IGBT開通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負(fù)載開關(guān)電路（見圖12）來的到驗(yàn)證。圖12所示為IGBT的開關(guān)電路和開通波形。在t0時(shí)刻柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始上升，此時(shí)影響柵極電壓Uge上

50、升斜率的主要因素只有Rg和Cge，柵極電壓上升較快。在t1時(shí)達(dá)到IGBT的柵極門檻電壓，集電極電流開始上升。從此時(shí)開始有兩個(gè)原因使Uge波形偏離原有軌跡。圖12 IGBT的開關(guān)電路和開通波形首先是射極雜散電感Le上的感應(yīng)電壓，此電壓隨著集電極電流ic的增加而增大，他它抵消了外加的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，并且降低了直接加在柵射端的電壓，Uge的上升率。這是一個(gè)負(fù)反饋的作用，集電極電流的增加使LE產(chǎn)生一個(gè)抵消柵極電壓的電壓，并減緩了集電極電流的增長。另一個(gè)影響柵極驅(qū)動(dòng)電壓的因素是柵集電容Cgc的“密勒”效應(yīng)。t2時(shí)刻時(shí)集電極電流達(dá)到最大值，集射電壓Uce開始下降。集射電壓Uce的下降使柵集電容Cgc放電，在

51、驅(qū)動(dòng)電路中增加了Cgc的容性電流，使得在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，造成柵射電壓Uge降低。顯然，柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)一直維持到t3集射電壓Uce降到零為止。它造成的Uge降低同樣延緩了IGBT的開通過程。在t3時(shí)刻后Uce的下降結(jié)束，ic達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，影響柵極電壓Uge的因素消失，此后Uge以較快的上升率達(dá)到最大值。由圖12波形圖可以看出，由于LE和Cgc的存在，在IGBT的實(shí)際運(yùn)行中Uge的上升率減緩了許多，這種阻礙驅(qū)動(dòng)電壓上升的效應(yīng)，表現(xiàn)為對集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了減小此效應(yīng)，應(yīng)使IGBT模塊的Le、Cge及柵極驅(qū)動(dòng)源的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。

52、IGBT關(guān)斷時(shí)的波形如圖13所示。B時(shí)刻柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始下降，在t1時(shí)刻達(dá)到剛能維持集電極電流的水平，IGBT進(jìn)入線性工作區(qū)，UCE開始上升。此時(shí)柵集極電容Cgc的密勒效應(yīng)支配著Uce的上升率，因Cgc的偶合充電作用，使得Uge在t1t2期間基本保持不變。在t2時(shí)Uce下降完畢，Uge和ic開始以柵射極電路固有的阻抗所決定的速度下降，在t3時(shí)Uge及ic均降為零，關(guān)斷過程結(jié)束。由圖2可以看出，由于IGBT的密勒電容Cgc的存在，使得IGBT的關(guān)斷過程也減緩了許多。為了減小些影響，一方面應(yīng)選擇Cgc小的IGBT元件另一方面應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗，使流入柵集電容Cgc的充電電流增加，加快了Uce的

53、上升速度。圖13 IGBT關(guān)斷時(shí)的波形以上對IGBT開關(guān)過程中的柵極驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行分析，而在實(shí)際應(yīng)用中IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電壓的幅值也有著較大的影響。正柵極電壓決定著IGBT的飽和導(dǎo)通壓降，隨著正柵極驅(qū)動(dòng)電壓的增加飽和導(dǎo)通壓降減小。由于飽和導(dǎo)通壓降是IGBT發(fā)熱的主要損耗之一，因此必需盡量減小以獲得較高的運(yùn)行效率通常+Uge為1518V，如+UGE過高容易因柵極電壓的振蕩造成柵極擊穿，因此柵極驅(qū)動(dòng)電壓+Uge一般取15V。IGBT關(guān)斷時(shí)給其柵射極施加一定的負(fù)偏壓， 有利于提高IGBT裝置的抗干擾能力，對提高IGBT關(guān)斷時(shí)能承受的電壓上升率也有較大的作用。IGBT柵射極間所加的負(fù)偏壓通常取510V.有

54、些廠家認(rèn)為它們的IGBT元件有較強(qiáng)抗干擾能力，也可不加負(fù)偏壓。但在IGBT關(guān)斷時(shí)，施加適當(dāng)?shù)呢?fù)偏壓一般不會(huì)有不利的影響。2.6柵極串聯(lián)電阻及柵極驅(qū)動(dòng)波形的上升、下降速率柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升，下降速率對IGBT的開通及關(guān)斷過程有較大的影響。IGBT的MOS溝道受柵極驅(qū)動(dòng)電壓的直接控制，而MOSFET部分的漏極電流控制著雙極部分的基極電流，使得IGBT的開通特性主要取決于它的MOSFET部分，所以IGBT的開通受柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響較大。IGBT的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少數(shù)載流子的復(fù)合速率，少數(shù)載流子的復(fù)合受MOSFET部分的關(guān)斷影響，使得柵極驅(qū)動(dòng)對IGBT的關(guān)斷也有一定的影響。柵極驅(qū)動(dòng)回路的阻抗會(huì)延

55、長密勒效應(yīng)時(shí)間，使集電極電流的下降延遲。柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，包括柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗和柵極串聯(lián)電阻兩部分。它們影響著驅(qū)動(dòng)波形的上升、下降速率。在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率應(yīng)快一些，以提高IGBT的開關(guān)速率并降低開關(guān)損耗。在運(yùn)行頻率較低時(shí)，開關(guān)損耗所占的比例較小，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率可以減慢些。在正常狀態(tài)下IGBT開通越快，開通損耗也越小。但在開通過程中如有正在續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容器的放電電流，則開通越快IGBT承受的峰值電流也就越大，甚至急劇上升導(dǎo)致IGBT或續(xù)流二極管損壞。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)脈沖的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是要付出

56、較大的開通損耗。利用此技術(shù)，開通過程中的峰值電流可以通過改變柵極串聯(lián)電阻控制在任意要求的值。由以上分析可見，柵極串聯(lián)電阻對IGBT的開通過程的影響較大。柵極串聯(lián)電阻的阻值應(yīng)根據(jù)電路的情況擇優(yōu)考慮，選擇適合的值。柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對IGBT關(guān)斷過程的影響相對于開通來說要小一些。柵極串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率和減小關(guān)斷損耗，也有利于避免關(guān)斷時(shí)集電極電壓的dv/dt過高造成IGBT誤開通。但柵極串聯(lián)電阻過小會(huì)由于集電極電流下降的di/dt過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰，因此對于IGBT關(guān)斷過程中的柵極串電阻的阻值也需要擇優(yōu)考慮柵極串電阻的阻值對于驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有較大的影響，電阻值過小時(shí)

57、會(huì)造成驅(qū)動(dòng)脈沖振蕩，過大時(shí)驅(qū)動(dòng)波形的前后沿會(huì)發(fā)生延遲和變緩。IGBT的輸入電容Cge隨著其額定電流容量的增加而增加。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率，對于電流容量較大的IGBT元件，應(yīng)提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應(yīng)隨著IGBT電流容量的增加而減小。IGBT的柵極串聯(lián)電阻通常采用表1所列的，數(shù)值如工作頻率較低也可采用前一檔電阻值較大的值。表1中高頻一般為大于15kHz的工作頻率，低頻為小于5kHz的工作頻率，如工作頻率在這兩個(gè)頻率之間可取擇優(yōu)值。表1 推薦的柵極電阻值額定電流（A）600V501001502003004006008001200V25507510015020

58、0300400Rg（）高頻512515106.24.73.02.2低頻1507551302015106.82.7 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路2.7.1 IGBT 的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)技術(shù) IGBT 的驅(qū)動(dòng)條件與 IGBT 的特性密切相關(guān)。設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，應(yīng)特別注意開通特性、負(fù)載短路能力dUds/dt 引起的誤觸發(fā)等問題。 正偏置電壓UGE增加，通態(tài)電壓下降，開通能耗Eon也下降，分別如圖14所示。由圖中還可看出，若UGE固定不變時(shí)，導(dǎo)通電壓將隨漏極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。 負(fù)偏電壓-UGE直接影響IGBT的可靠運(yùn)行，負(fù)偏電壓增高時(shí)漏極浪涌電流明顯下降，對關(guān)斷能耗無顯著影響，-Uge與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗Eoff的關(guān)系分別如圖14 門極電阻Rg增加，將使IGBT的開通與關(guān)斷時(shí)間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減少，則又使di/dt增大，可能引發(fā)