第四章習(xí)題參考答案IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷過程主要包括哪幾個(gè)階段？其主要參數(shù)有哪些？IGBT的導(dǎo)通有四個(gè)階段，關(guān)斷也有四個(gè)階段；導(dǎo)通過程：（1）關(guān)斷狀態(tài)（2）門極充電延遲（3）電流上升（4）續(xù)流二極管反向恢復(fù)（5）電壓下降（6）門極充電；關(guān)斷過程：（1）導(dǎo)通狀態(tài)（2）門極放電延遲（3）電壓上升（4）電流下降（5）拖尾電流（6）門極放電。重要參數(shù)：（1）VCES：最大集-射極電壓。當(dāng)IGBT門極-發(fā)射極之間處于短路狀態(tài)時(shí)在集電極-發(fā)射極之間能夠外加的最大電壓，它決定了IGBT的電壓定額。（2）ICM：最大集電極電流。集電極上容許的最大直流電流。（3）BVGE：門-射極擊穿電壓。門極氧化層的擊穿電壓，決定了門極-發(fā)射極之間能夠承受的最高電壓。（4）VGE(th)：門-射極閾值電壓。使IGBT導(dǎo)通所需要的最小門-射極電壓。（5）Cies：輸入電容。集電極與發(fā)射極短路時(shí)，門極與發(fā)射極之間的電容。（6）Coes：輸出電容。門極與發(fā)射極短路時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的電容。（7）td(on)：開通延時(shí)，門-射極電壓達(dá)到終值10%的時(shí)刻與集電極電流達(dá)到終值10%的時(shí)刻之間的時(shí)間。（8）td(off)：關(guān)斷延時(shí)，門-射極電壓下降到初始值90%的時(shí)刻與集電極電流下降到初始值90%的時(shí)刻之間的時(shí)間。（9）tr：上升時(shí)間。集電極電流從終值的10%上升到終值的90%所需的時(shí)間。（10）tf：下降時(shí)間。集電極電流從初始值的90%下降到初始值的10%所需的時(shí)間。（11）Eoff：關(guān)斷損耗。單次關(guān)斷損耗的能量。（12）Eon：開通損耗。單次開通損耗的能量。2.功率器件的驅(qū)動(dòng)電路主要具有哪些功能？驅(qū)動(dòng)電路通常有哪些類型？功率器件的驅(qū)動(dòng)電路主要功能：（1）對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行電平移位；（2）時(shí)序控制；（3）驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)；驅(qū)動(dòng)電路的類型：從隔離技術(shù)的角度來說，通常分為隔離型柵極驅(qū)動(dòng)電路和非隔離型柵極驅(qū)動(dòng)電路。（1）非隔離型柵極驅(qū)動(dòng)電路；①pn結(jié)隔離（JI）技術(shù)②絕緣體上硅（SOI）技術(shù)（2）隔離型柵極驅(qū)動(dòng)電路；①光耦隔離柵極驅(qū)動(dòng)電路②變壓器隔離柵極驅(qū)動(dòng)電路③電容隔離柵極驅(qū)動(dòng)電路

3.柵極驅(qū)動(dòng)電路的主要電路模塊有哪些？各模塊完成的功能是什么？柵極驅(qū)動(dòng)電路主要模塊：輸入接口模塊、死區(qū)時(shí)間模塊、延時(shí)模塊、電平移位模塊、自舉模塊、驅(qū)動(dòng)輸出模塊。（1）輸入接口模塊：對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行脈沖整形、濾除噪聲；（2）死區(qū)時(shí)間模塊：避免所使用的功率器件發(fā)生上、下同時(shí)導(dǎo)通；（3）延時(shí)模塊：使高、低側(cè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)同步；（4）電平移位模塊：將低壓邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)并提供一定的驅(qū)動(dòng)電流；（5）自舉模塊：自舉電容作為高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路的電源；（6）驅(qū)動(dòng)輸出模塊：提供所需的電壓和電流來控制功率器件（通常是MOSFET或IGBT）的柵極，以確保它們能夠有效地導(dǎo)通和關(guān)斷。4.電平移位電路的關(guān)鍵參數(shù)有哪些？在電平移位電路的設(shè)計(jì)過程中，如何提高其抗dv/dt能力？關(guān)鍵參數(shù)：低延遲時(shí)間、低損耗和高dv/dt抑制能力等；提高其抗dv/dt能力方法：（1）采用差分對(duì)結(jié)構(gòu)電平移位電路，利用其共模抑制能力抵消dv/dt引起的共模噪聲；（2）電平移位器中加入共模瞬態(tài)抑制電路；（3）使用雙穩(wěn)態(tài)鎖存器（如RS鎖存器）存儲(chǔ)信號(hào)狀態(tài)，避免因瞬態(tài)噪聲翻轉(zhuǎn)。5．芯片內(nèi)部保護(hù)電路通常有哪些保護(hù)功能？(1).過壓保護(hù):(a)柵極-源極過壓保護(hù)：防止因米勒電容充電導(dǎo)致柵極電壓超過擊穿電壓。常用方法是設(shè)計(jì)柵極箝位電路，如二極管箝位、穩(wěn)壓管箝位、TVS管箝位。(b)漏極-源極過壓保護(hù)：防止關(guān)斷或二極管反向恢復(fù)過程中產(chǎn)生的浪涌電壓擊穿器件。常用方法是采用緩沖保護(hù)電路，如無源或有源緩沖網(wǎng)絡(luò)。(2).欠壓保護(hù):監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)芯片的供電電壓VDD。當(dāng)供電電壓不足時(shí)，強(qiáng)制關(guān)閉功率器件，防止器件因柵極電壓過低而工作在有源區(qū)或邏輯電路輸出錯(cuò)誤信號(hào)。(3).過溫保護(hù):利用對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體器件，如負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻作為傳感器檢測(cè)芯片內(nèi)部溫度。當(dāng)溫度超過閾值時(shí)，輸出保護(hù)信號(hào)并關(guān)斷相應(yīng)電路，防止芯片或器件燒毀。6．輸出驅(qū)動(dòng)電路如何進(jìn)行功率器件的匹配設(shè)計(jì)？(1)晶體管尺寸的折中設(shè)計(jì)：輸出級(jí)功率器件(上拉PMOS和下拉NMOS)的寬長(zhǎng)比(W/L)決定了輸出峰值電流能力。W/L越大，驅(qū)動(dòng)電流能力越強(qiáng)；但同時(shí)也意味著需要更長(zhǎng)的時(shí)間來充放電該驅(qū)動(dòng)管本身的輸入電容，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路自身的開關(guān)速度變慢。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要在驅(qū)動(dòng)能力和開關(guān)速度之間進(jìn)行折中選取。(2)驅(qū)動(dòng)電壓匹配：必須將控制電路的低電平邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，確保電壓水平滿足器件導(dǎo)通或關(guān)斷的需求。(3)輸出電流能力匹配：驅(qū)動(dòng)電路必須提供足夠的源電流(Source)和泄放電流(Sink)，以快速充放電功率器件的柵極電容(Ciss)，從而保證功率器件的快速切換。(4)傳輸延時(shí)與死區(qū)時(shí)間：設(shè)計(jì)需保證極小的傳輸延時(shí)，同時(shí)為了防止輸出級(jí)自身的上拉管和下拉管直通，需要在它們之間設(shè)置適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間。7．功率器件的短路電流通常是多大？其通常有哪些檢測(cè)方法？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？工程中最常用的是哪些方法？(1)短路電流大小：短路發(fā)生時(shí)，流過器件的電流會(huì)迅速上升，通常為正常工作電流的8～10倍。(2)常用檢測(cè)方法：(a)退飽和檢測(cè)法:檢測(cè)功率器件導(dǎo)通時(shí)的VDS。短路時(shí)VDS會(huì)迅速升高并退出飽和區(qū)。優(yōu)點(diǎn)：成本低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：需要設(shè)置消隱時(shí)間(Blankingtime)避開誤觸發(fā)；檢測(cè)精度易受溫度影響。(b)di/dt檢測(cè)法:利用源極寄生電感LS上的感應(yīng)電壓來檢測(cè)電流變化率。優(yōu)點(diǎn)：無檢測(cè)盲區(qū)、保護(hù)電路簡(jiǎn)單、容易集成。缺點(diǎn)：需要開爾文連接或利用寄生電感。(c)分流器檢測(cè)法：在源端串聯(lián)小電阻，直接測(cè)量電壓反映電流。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單直接、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)：會(huì)產(chǎn)生額外損耗；大電流下電阻兩端電壓可能過高。(d)門極電壓檢測(cè)法：檢測(cè)短路時(shí)門極電壓VGS的異常變化，如米勒平臺(tái)消失或電壓尖峰。優(yōu)點(diǎn)：可檢測(cè)硬開關(guān)故障。缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)；SiCMOSFET米勒電容小導(dǎo)致特征不明顯，易誤觸發(fā)。(e)羅氏線圈檢測(cè)法：測(cè)量di/dt通過積分得到電流。優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)快，無需死區(qū)時(shí)間。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以集成，精度易受電磁干擾影響。(3)工程中最常用的方法：退飽和檢測(cè)法：因其低實(shí)施成本和簡(jiǎn)單性，它是目前最常用的一種方法。8．功率器件的過載電流的范圍通常是多大？在實(shí)際應(yīng)用中，過載檢測(cè)方法有哪些？(1)過載電流范圍：過載故障時(shí)，電流緩慢增大，通常為正常電流的1.2～1.5倍。(2)實(shí)際應(yīng)用中的過載檢測(cè)方法：(a)直接電流檢測(cè)：一般可以通過分流器檢測(cè)法檢測(cè)電流，來判斷是否發(fā)生過載。(b)專用過載保護(hù)電路（RLC濾波+比較器）：利用RLC網(wǎng)絡(luò)濾除高頻振鈴，測(cè)量與電流成比例的輸出電壓。通過比較器設(shè)置閾值，當(dāng)檢測(cè)電壓超過閾值時(shí)觸發(fā)故障信號(hào)并鎖存，從而關(guān)斷電路。挑戰(zhàn)性拓展熱搭建IGBT基本驅(qū)動(dòng)電路原理圖，設(shè)置不同的柵極驅(qū)動(dòng)電阻或驅(qū)動(dòng)電流，仿真IGBT的開關(guān)速度和電氣應(yīng)力情況，分析驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)開關(guān)速度和電氣應(yīng)力的影響。這是一個(gè)基本的柵極驅(qū)動(dòng)電路的晶體管級(jí)電路圖，通過搭建半橋結(jié)構(gòu)仿真雙脈沖實(shí)驗(yàn)來說明，不同的柵極驅(qū)動(dòng)能力對(duì)功率器件開關(guān)特性的影響，其中功率器件為SiCMOSFET（與IGBT原理類似，但是IGBT的器件模型導(dǎo)不進(jìn)這個(gè)庫(kù)，故用SiCMOSFET代替），其型號(hào)是SCT4026DE,負(fù)載為感性負(fù)載電感L=50uH，母線電壓為200V。上圖為當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻Rg分別為0、5、10歐姆的情況下，即柵極驅(qū)動(dòng)能力變?nèi)醯那闆r下