1、武漢理工大學畢業(yè)設計（論文）學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了本論文緒論章節(jié)的內容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于1、保密

2、囗，在 年解密后適用本授權書2、不保密囗 。（請在以上相應方框內打“”）作者簽名： 年 月 日導師簽名： 年 月 日武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文)任務書學生姓名： 高琪 專業(yè)班級： 自動化0702班 指導教師： 陳啟宏 黃亮 工作單位： 自動化學院 設計(論文)題目: 大功率IGBT驅動電路設計 設計（論文）主要內容：研究目前市場大功率IGBT的特性，并針對1200V，450A的IGBT模塊設計隔離型IGBT驅動電路及實現電路的保護。完成硬件電路設計。要求完成的主要任務:1學習MATLAB軟件相關知識內容；學習MATLAB軟件相關知識；2具體了解單管IGBT結構和工作原理，知道IGBT的基

3、本特性（靜態(tài)特性、動態(tài)特性）（了解內容：正反電壓、集電極電流、射集電壓、集電極功耗）；3具體了解IGBT模塊分別在低壓小電流驅動和高壓大電流驅動條件下的驅動要求，選取高壓大功率的IGBT模塊進行了解并設計其驅動電路（IGBT模塊選取1200V，450A的FF450R12KT4型號）；4設計隔離型IGBT驅動電路的硬件電路；5撰寫畢業(yè)設計論文，字數不少于15000；6完成外文文獻翻譯，字數約為5000左右。必讀參考資料：1 林飛 杜欣電力電子應用技術的MATLAB仿真M.北京：中國電力出版社，20092 王兆安 劉進軍電力電子技術M.北京：機械工業(yè)出版社，20093 Abraham I.Pres

4、sman 著 Switching Power Supply DesignM.王志強 譯北京：電子工業(yè)出版社，20104 陳堅電力電子學電力電子變換和控制技術M.北京：高等教育出版社，2002指導教師簽名： 系主任簽名： 院長簽名（章）： 武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告1、目的及意義（含國內外的研究現狀分析）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效應管（MOSFET）的高導通壓降、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、驅動電路功率大等不足而出現的雙機理復合器件，是MODFET和GTR結合的產物。它結合了這兩種器件的

5、優(yōu)點，比MODFET減少了導通損耗，增大了導通電流，比GTR開關速度快，驅動功率小，開關頻率高，而且耐壓等級也顯著提高。諸多的優(yōu)良特性使得IGBT成為大中功率開關電源、逆變器、高頻感應加熱有源濾波器、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，變頻驅動、有源電力濾波器、輕型直流輸電、UPS電源、電焊機、醫(yī)療儀器等電力電子的應用技術風起云涌，IGBT作為主流的功率輸出器件，應用日趨廣泛。在要求快速低損耗的電力電子應用范圍內，在中、低頻功率功率控制應用中，IGBT最具獨特性能。眾所周知，電力電子技術和應用裝置的發(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

6、會依賴于電路條件和開關環(huán)境。IGBT也不例外，驅動保護電路的設計師IGBT應用中一個很重要的環(huán)節(jié)，也是應用設計的難點和關鍵。性能優(yōu)良的驅動保護電路是保證IGBT高效、可靠運行的必要條件。目前IGBT驅動器的形式多種多樣各有其特點，下面介紹幾種典型常用的驅動器：1雙絞線傳輸式驅動器：門極驅動電路的輸出線為絞合線，為抑制輸入信號的振蕩現象，在門源端并聯一阻尼網絡，由1電阻和0.33電容器組成阻尼振蕩器。另外，驅動電路的輸出級與IGBT的輸入端之間的連接串有一只10的門極電阻。2.光電耦合隔離式驅動器：輸入信號經光電耦合器隔離后引入驅動電路，經放大器放大由推換電路V2，V3向IGBT提供門極驅動信號

7、。V2通過+得到一個正向門極電壓，當V2截止，V3導通是得到一個負的門極電壓并截止。另外設計了過電流保護裝置。當電流信號來時，IGBT脫離飽和狀態(tài)，升高，VD1檢測到該信號，一方面通過光耦向控制回路發(fā)信號，另一方面在較短的時間內降低門極電壓使IGBT關斷。3.變壓耦合隔離式驅動器：由控制脈沖生成單元產生的脈沖信號經晶體管V進行功率放大后加到脈沖變壓器T，并由T隔離耦合經穩(wěn)壓管VS1，VS2限幅后驅動IGBT。驅動級不需專門的直流電源，簡化了電路結構，且工作頻率高，可達10KHZ左右。2、基本內容和技術方案首先針對自己的研究課題，經過查閱相關書籍資料了解IGBT元件的工作原理及其特性，從而掌握該

8、元件的本質特點。然后閱讀學習關于IGBT驅動電路的文獻資料，深入的了解驅動電路的基本工作原理，為自己的電路初步設計奠定下基礎。同時針對驅動電路中的對于IGBT元件的保護電路所需選擇的措施及柵極電阻的選擇進行研究，最終根據自己設計的驅動電路的特點采取正確的保護措施，從而進一步的更好的完成本次的關于IGBT驅動電路設計的課題研究。通過查閱學習關于IGBT元件的資料文獻，了解到IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點，而且還學習了該元件的靜態(tài)特性和動態(tài)特性

9、。IGBT的柵源特性呈非線性電容性，并工作于高頻開關狀態(tài)，其快速通斷導致過高的電流尖峰，在控制回路中產生干擾，引起振蕩。因此，設計的驅動電路選用具有足夠的瞬時電流吞吐能力及快速通斷的光耦合隔離器。同時，由于IGBT的驅動電路要保證一條低阻抗的放電回路，同時驅動電源的內阻一定要小，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開關損耗盡量要小，所以必須對上面需求進行仔細的研究。整體驅動電路的結構和參數會對IGBT的運行性能產生顯著影響，如開關時間、開關損耗、短路電流保護能力和抗dv/dt的能力等。在進行設計時必須要根據IGBT的型號類型和參數指標合理設計驅動電路對于充分發(fā)揮IG

10、BT的性能是十分重要的。IGBT驅動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、轉移驅動器件的功率損耗和調節(jié)開關的通斷速度，所以必須針對柵極電阻選取的注意方面及其與IGBT的在電路中的關系的進行討論研究。過流問題是IGBT和設備安全運行的重要因素，對于1200V/450A的IGBT模塊來說導通壓降為2V左右。工程上常采用調整串聯在IGBT集電極與驅動塊之間的二極管個數。其存在的問題是只能階梯式地調整，而0.7V的動作電壓反映在IGBT上，Ic將產生很大的變化，很難做到精確設定過流保護的臨界動作點。在進行畢業(yè)設計的過程中，要注意上面IGBT應用的必要條件，完成電路原理圖的繪制，

11、完成字數不少于1.5萬字的畢業(yè)設計論文。3、進度安排第12周： 畢業(yè)實習，撰寫畢業(yè)實習報告；第34周： 翻譯外文資料，初步確定方案，完成開題報告；第5周： 確定最終方案，并進行可行性分析；第69周： 硬件設計及程序代碼編制；第1011周： 綜合調試，根據結果完善系統；第1214周： 完成論文撰寫；第15周： 論文答辯；第16周： 論文裝訂4、指導教師意見 指導教師簽名： 年 月 日目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 引言11.2 課題研究意義21.3 研究現狀31.3.1 產品現狀31.3.2 技術現狀41.4 主要研究內容52 IGBT的基本結構及IGBT模塊選型72.1 I

12、GBT的結構及工作原理72.2 IGBT的基本工作特性92.3 IGBT模塊選型113 IGBT驅動研究123.1 驅動電路設計要求123.2 IGBT的驅動電路選型123.3 IGBT驅動電路中柵極電阻的研究143.3.1 柵極電阻的作用143.3.2 柵極電阻的選取143.3.3 設置柵極電阻的注意事項153.3.4 柵極電阻和IGBT的關系討論154 IGBT保護電路設計194.1 IGBT柵極的保護194.2 IGBT的過電流保護194.3 IGBT開關過程中的電壓保護224.4 IGBT的過熱保護254.5 IGBT驅動保護設計總結265 隔離型IGBT驅動電路硬件設計275.1 I

13、GBT驅動電路原理圖275.2 正常開通與關斷過程275.3 保護電路的工作275.4 IGBT驅動電路的整體電路圖296 總結與展望30參考文獻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。基于此特點，在應用的廣泛領域中的IGBT是非常重要的原件，所以開設關于大功率IGBT驅動電路的設計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，并廣泛地運用在各類電力變換裝置中。然而如何有效地驅動并保護IGBT，成為電力電子

14、領域中的重要研究課題之一。本文討論了IGBT的內部結構原理及IGBT元件其靜態(tài)和動態(tài)特性，研究討論了IGBT驅動電路的主要種類和電路的各種保護方式及柵極電阻對于IGBT性能以及對驅動電路與過流保護電路的要求。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系的特性，設計一個具有完善的過流過壓保護功能的IGBT 驅動電路。經過對于相關資料的分析和實驗，設計出具有簡單、實用、可靠性高等優(yōu)點的IGBT驅動電路。關鍵詞：IGBT；驅動電路；過流保護AbstractInsulation grid double pole transistor IGBT is one kind by the dou

15、ble pole transistor and the MOSFET combination component, it both has the MOSFET grid bias control split-second-selection characteristic, and has the double pole transistor big electric current handling ability and the low saturated pressure drop characteristic. Based on this feature in the broad fi

16、eld of application of IGBT is very important in the original, so the creation of high-power IGBT drive circuit on the design of the research is very meaningful.In power electronicdevices, the combination property of IGBT has clear superiority, which is widely used various electric equipmentHowever，n

17、ow to drive and protect IGBT effectively has become one of the important tasks in power and electronic fields. This article discusses the principles of the internal structure of IGBT and IGBT components of its static and dynamic characteristics. Also discussed the main types of IGBT drive circuit an

18、d the circuit resistance of various protective methods and the IGBT gate drive circuit performance and on the requirements and over-current protection circuit. Using IGBTs on-state saturation voltage and collector current approximately linear relationship between characteristics. At the same time, d

19、esign a IGBT driver circuit which has a complete over-voltage and over-current protection function . After the relevant information for analysis and experiments, designed with simple, practical, and high reliability of the IGBT driver circuit.Key words：IGBT；Driving Circuit；Over-current protection361

20、 緒論1.1 引言近年來，隨著大功率半導體開關器件發(fā)展和生產工藝的日益成熟，特別是20世紀80年代IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的出現，逐步實現了采用IGBT做開關管的全固態(tài)大功率調制器和高壓開關電源。IGBT是MOS與BJT的復合型功率器件，這種器件屬于場控功率管，有著開關速度快、耐壓高、開關功率大、管壓降小等特點。采用IGBT作為開關器件的調制器和高壓電源，不但具有效率高、體積小、重量輕、可靠性高、易模塊化設計等優(yōu)點，而且沒有電子管的壽命問題，使用和維護費用也隨之下降。IGBT的驅動電路要求驅動能力強、保護迅速有效。1979年，MOS柵功率開關器件作為IGBT概念的先驅即已被介紹到世間。這種

21、器件表現為一個類晶閘管的結構（P-N-P-N四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。80年代初期，用于功率MOSFET制造技術的DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體）工藝被采用到IGBT中來。在那個時候，硅芯片的結構是一種較厚的NPT（非穿通）型設計。后來，通過采用PT（穿通）型結構的方法得到了在參數折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術進步，以及采用對應給定阻斷電壓所設計的n+緩沖層而進展的。幾年當中，這種在采用PT設計的外延片上制備的DMOS平面柵結構，其設計規(guī)則從5微米先進到3微米。90年代中期，溝槽柵結構又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成

22、（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術實現的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結構。在這種溝槽結構中，實現了在通態(tài)電壓和關斷時間之間折衷的更重要的改進。硅芯片的重直結構也得到了急劇的轉變，先是采用非穿通（NPT）結構，繼而變化成弱穿通（LPT）結構，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結構演變類似的改善。這次從穿通（PT）型技術先進到非穿通（NPT）型技術，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術會有比較高的載流子注入系數，而由于它要求對少數載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入

23、系數卻比較低。進而言之，非穿通（NPT）技術又被軟穿通（LPT）技術所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”（FS）型技術，這使得“成本性能”的綜合效果得到進一步改善。1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實現，它采用了弱穿通（LPT）芯片結構，又采用了更先進的寬元胞間距的設計。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向導通型”（逆導型）功能的IGBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優(yōu)化。IGBT功率模塊采用IC驅動，各種驅動保護電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術，從復合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、

24、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產品水平為12001800A/18003300V，IPM除用于變頻調速外，600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統效率，現已開發(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?，F在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外,現在已制造出集成化的IGBT專用驅動電路.其

25、性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。1.2 課題研究意義電力電子技術的應用在當今的工業(yè)領域里起到了不可替代的作用，而IGBT在諸如變頻器、大功率開關電源等電力電子技術的能量變換與管理應用中，越來越成為各種主回路的首選功率開關器件，因此如何安全可靠地驅動IGBT工作，也成為越來越多的設計工程師面臨需要解決的課題。IGBT開發(fā)之初主要應用在電機、變換器（逆變器）、變頻器、UPS、EPS電源、風力發(fā)電設備等工業(yè)控制領域。在上述的應用領域中，IGBT憑借著電壓控制、驅動簡單、開關頻率高、開關損耗小、可實現短路保護等優(yōu)點，在600V及以上中壓應用領域中競爭力逐步顯現。在UPS、開關電源、電車、交流電機

26、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用中SCR和GTO仍占有統治地位。隨著人們節(jié)能意識的逐步增強，變頻空調、變頻洗衣機等變頻家電比例的逐年擴大。為了簡化電路設計，提高IGBT使用的可靠性，變頻家電中主要使用集和驅動電路、保護電路等功能于一體的IGBT智能模塊。IGBT在汽車中的應用主要集中在汽車點火器上，已成功地取代達林頓管成為汽車點火器的首選。飛兆、英飛凌、ST在該市場中有很強的競爭力。中國鐵路的發(fā)展離不開大量電力機車和高速動車組，電力機車需要500個IGBT，動車組需要超過100個IGBT，一節(jié)地鐵需要5080個IGBT模

27、塊。粗略估計上述軌道交通市場對IGBT模塊的需求將超過三百萬個，可以想見軌道交通給IGBT市場所帶來的空前機遇和發(fā)展空間。當低碳經濟，節(jié)能減排成為經濟工作的重點時，市場對節(jié)能概念接受能力較強。在節(jié)能減排的大環(huán)境下，IGBT一方面擁有新技術帶來的廣闊的市場空間，另一方面從技術發(fā)展路線來看又對以往的功率器件產品有一個逐步替代的作用。2009年我國IGBT市場為53億元左右，目前我國IGBT市場占整個功率器件市場份額尚不足10，我們預計未來幾年IGBT市場隨著節(jié)能減排的推進將得到快速發(fā)展，增速將達到2030，遠超整個功率器件市場。由于關鍵技術的缺失，中國功率器件市場絕大部分份額被國外廠商占領，在國家

28、政策扶持下，目前中國IGBT行業(yè)中高端技術已有突破，部分廠商已具備量產能力。IGBT模塊發(fā)展趨向是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠、低成本為目標的，特別是發(fā)展高壓變頻器的應用，簡化其主電路，減少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，簡化調試工作等，都與IGBT有密切的內在聯系。隨著大功率IGBT在生產中的應用越來越加廣泛，那么IGBT的驅動電路也得到了成熟的發(fā)展。在使用IGBT構成的各種主回路之中，大功率IGBT驅動保護電路起到弱電控制強電的終端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以將該電路看成是一個相對獨立的“子系統”來研究、開發(fā)及設計。大功率IGBT驅動保護電路一直伴隨IGBT技術的發(fā)

29、展而發(fā)展，現在市場上流行著很多種類非常成熟的大功率IGBT驅動保護電路專用產品，成為大多數設計工程師的首選；也有許多的工程師根據其電路的特殊要求，自行研制出各種專用的大功率IGBT。驅動保護電路而IGBT行業(yè)中的高端技術重點在于怎樣驅動以及保護IGBT正常工作。1.3 研究現狀1.3.1 產品現狀當前市場上的成品驅動器,按驅動信號與被驅動的絕緣柵器件的電氣關系來分，可分為直接驅動和隔離驅動兩種，其中隔離驅動的隔離元件有光電耦合器和脈沖變壓器兩種。不隔離的直接驅動器：在Boost、全波、正激或反激等電路中，功率開關管的源極位于輸入電源的下軌，PWM IC輸出的驅動信號一般不必與開關管隔離，可以直

30、接驅動。如果需要較大的驅動能力，可以加接一級放大器或是串上一個成品驅動器。直接驅動的成品驅動器一般都采用薄膜工藝制成IC電路，調節(jié)電阻和較大的電容由外引腳接入。目前的成品驅動器種類不少，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動器：隔離驅動產品絕大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵器件，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動器產品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列、M

31、ITSUBISHI公司的M579XX系列、英達公司的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有限公司的TX-KA系列。TX-KA系列驅動器保護功能完善、工作頻率高、價格便宜，并能與多種其它類型的驅動器兼容。此類產品，由于光電耦合器的速度限制，一般工作頻率都在50KHz以下(TX-KA101可達80K)。它們的優(yōu)點是大部分具有過流保護功能，其過電流信號是從IGBT的管壓降中取得的；共同的缺點是需要一個或兩個獨立的輔助電源，因而使用較為麻煩。由于成本問題，該類產品價格稍高，因此只適用于在大功率電源中驅動IGBT模塊，在中小功率領域難以推廣使用。變壓器隔離、一路

32、電源輸入，自帶DC/DC輔助電源的驅動器：目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22等，使用兩個脈沖變壓器傳遞半橋驅動信號，需要一路電源輸入，自帶一個DC/DC電源提供驅動所需的兩個輔助電源。輸出的驅動信號質量不錯，驅動能力也很強，但由于結構復雜，因而體積較大，價格不菲，只適用于特大功率電源中。上述兩種驅動板的信號傳遞采用的是調制技術。 北京落木源公司也開發(fā)了一款變壓器隔離的驅動器，型號為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、調制式自給電源驅動器：調制式自給電源驅動器，采用變壓器進行電氣隔離，通過載頻傳遞驅動所需要的能量，

33、通過調制信號傳遞PWM信息，因此可以通過0100占空比的PWM信號。目前的許多驅動板產品都采用這種技術，如西門康的SKHI27等。單片式的調制驅動器，目前國外還未見有產品出售。但有一種2片組合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25集成電路對，其中3724與驅動源相連，3725與被驅動的絕緣柵器件相連，3724與3725之間由用戶接入一個脈沖變壓器，在UC3724中將PWM信號調制到約MHz的載波上，送到隔離脈沖變壓器的初級，次級輸出信號在UC3725中通過直接整流得到自給電源，通過解調取得原PWM信號。 國內的單片式調制驅動器，有北京落木源的TX-KE系列驅動器。調制驅動器，除無需用

34、戶提供輔助電源外，還具有隔離電壓高的特點，但是價格較高。 變壓器隔離、分時式自給電源驅動器：分時式自給電源驅動器產品的優(yōu)點是：價格便宜，大中小功率的電源都可應用；驅動器自身不需要單獨的供電電源，簡化了電路；輸出驅動脈沖的延遲很少，上升和下降沿也相當陡峭；工作頻率較高，并且可在占空比595%的范圍內工作。分時式自給電源驅動器的缺點是當工作頻率較低時變壓器的體積較大，厚膜化困難，由于自給電源提供的能量有限、難以驅動300A/1200V以上的IGBT。 1.3.2 技術現狀開關電源中大功率器件驅動電路的設計一向是電源領域的關鍵技術之一。普通大功率三極管和絕緣柵功率器件(包括VMOS場效應管和IGBT

35、絕緣柵雙極性大功率管等)，由于器件結構的不同，具體的驅動要求和技術也大不相同。前者屬于電流控制器件，要求合適的電流波形來驅動；后者屬于電場控制器件，要求一定的電壓來驅動。本文只介紹后者的情況。 VMOS場效應管(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構，直流電不能通過，因而低頻的靜態(tài)驅動功率接近于零。但是柵極和源極之間構成了一個柵極電容Cgs，因而在高頻率的交替開通和關斷時需要一定的動態(tài)驅動功率。小功率VMOS管的Cgs一般在10-100pF之內，對于大功率的絕緣柵功率器件，由于柵極電容Cgs較大，在1-100nF，甚至更大，因而需要較大的動態(tài)驅動功率。更由

36、于漏極到柵極的密勒電容Cgs，柵極驅動功率是不可忽視的。 為可靠驅動絕緣柵器件，目前已有很多成熟電路。當驅動信號與功率器件不需要隔離時，驅動電路的設計是比較簡單的，目前也有了一些優(yōu)秀的驅動集成電路，如IR2110。當需要驅動器的輸入端與輸出端電氣隔離時，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)點是體積小巧，缺點是：A、反應較慢，因而具有較大的延遲時間(高速型光耦一般也大于500ns)；B、光電耦合器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。 用脈沖變壓器隔離驅動絕緣柵功率器件有三種方法：無源、有源和自給電源驅動。 無源方法就是用變壓器次級的輸出直接驅動絕緣柵器件

37、，這種方法很簡單，也不需要單獨的驅動電源，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，除非將初級的輸入信號改為具有一定功率的大信號，相應脈沖變壓器也應取較大體積。 有源方法中的變壓器只提供隔離的信號，在次級另有整形放大電路來驅動絕緣柵功率器件，當然驅動波形好，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，可能會引進寄生的干擾。 自給電源方法的已有技術是對PWM驅動信號進行高頻(1MHz以上)調制，該信號加在隔離脈沖變壓器的初級，在次級通過直接整流得到自給電源，而原PWM調制信號則需經過解調取得，顯然，這種方法并不簡單, 價格當然也較高。

38、調制的優(yōu)點是可以傳遞的占空比不受限制。 分時式自給電源是北京落木源公司的創(chuàng)新技術，其特點是變壓器在輸入PWM信號的上升和下降沿只傳遞PWM信息，在輸入信號的平頂階段傳遞驅動所需要的能量，因而波形失真很小。這種技術的缺點是占空比一般只能達到595。1.4 主要研究內容本文旨在研究IGBT工作特性，以及驅動電路和保護電路的設計，本文的研究內容如下：第二章主要針對絕緣柵雙擊晶體管（IGBT）的基本內部結構和元件特性進行簡要的介紹和了解。其中介紹了IGBT的基本工作原理及其基本特性。敘述了IGBT的導通條件及在其中詳細論述了IGBT的基本特性的靜態(tài)特性中的轉移特性和輸出特性(伏安特性)的內容，通過其中

39、的波形圖可以具體的掌握其特性的知識。同時，還介紹了IGBT的動態(tài)特性，介紹了IGBT開關過程中的柵射電壓Uge、集電極電流Ic、集射電壓Uce的波形及其中的工作特性。并在最后對現有品牌的大功率IGBT模塊進行簡單的初步介紹和選取。第三章是針對IGBT的驅動電路的設計要求進行了討論并設計IGBT驅動電路。本章的前面針對包括了驅動電路的設計時的注意事項，同時也介紹了幾種常見的IGBT的驅動電路，包括：阻尼濾波門極驅動電路、光耦合門極驅動電路、脈沖變壓器直接驅動IGBT的電路并同時舉例。本次IGBT的驅動電路的設計就是選擇了光耦合器門極驅動。其中還對IGBT驅動電路中的柵極電阻的選擇和其對于IGBT

40、的影響和作用的討論。柵極電阻Rg對于IGBT的正常穩(wěn)定的運行有著至關重要的作用，并且Rg的選取也有很多要考慮的因素。在本章節(jié)內容中還就參考的資料詳細的了解了Rg和IGBT開關特性及柵極電阻的計算。第四章中分析了IGBT元件的保護，就IGBT的柵極保護、過流保護及IGBT開關過程中的過電壓保護和過熱保護分別進行分析和學習。并同時羅列出各個模塊的舉例電路，根據所知的內容為自己的IGBT驅動電路的設計做好鋪墊，本章節(jié)的內容對于設計IGBT驅動電路有很大的作用。最終設計出IGBT驅動電路并進行分析第五章是對隔離型IGBT驅動電路的硬件設計部分進行設計，并對該電路的工作原理進行必要的講解，最后使用Mul

41、tisim軟件對該電路進行繪制。2 IGBT的基本結構及IGBT模塊選型2.1 IGBT的結構及工作原理IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開

42、關電源、照明電路、牽引傳動等領域。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質上是一個場效應晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個P型層。根據國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應晶體管的相應命名。IGBT的結構剖面圖如圖1所示，IGBT在結構上類似于MOSFET，其不同點在于IGBT是在N溝道功率MOSFET的N+基板（漏極）上增加了一個P+基板（IGBT的集電極），形成PN結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，形成了四層結構，由PNPNPN晶體管構成IGBT。但是，NPN晶體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設

43、計時盡可能使NPN不起作用。所以說，IGBT的基本工作與NPN晶體管無關，可以認為是將N溝道MOSFET作為輸入極，PNP晶體管作為輸出極的單向達林頓管。圖1 IGBT的結構剖面圖由圖1可以看出，IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)GTR，其簡化等效電路如圖2所。圖2 N溝道IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號電路圖圖中Rff是厚基區(qū)GTR的擴展電阻。IGBT是以GTR為主導件、MOSFET為驅動件的復合結構。若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSF

44、ET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。圖3 P溝道IGBT的簡化電氣圖形符號對于P溝道，圖形符號中的箭頭方向恰好相反，如圖3所示。IGBT的開通和關斷是由柵極電壓來控制的。當柵極加正電壓時，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時，從P+區(qū)注到N-區(qū)進行電導調制，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。在柵極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關斷。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

45、極發(fā)射極的電流；IGBT的結溫。如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅動電壓過低，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的結溫超過其結溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞。IGBT的開通和關斷是由柵極電壓來控制的。當柵極加正電壓時，MOSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通，此時，從P+區(qū)注到N-區(qū)進行電導調制，減少N-區(qū)的電阻Rdr值，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)

46、壓降。在柵極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即關斷。 IGBT是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動電流跟驅動功率都非常小，可直接與模擬或數字功能快相接而不須加任何附加接口電路。IGBT的導通和關斷是由柵極電壓Uge來控制的，當Uge大于Uge(th)時IGBT導通。當柵極和發(fā)射極施加反向或不加信號時，IGBT被關斷。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)，起主要作為開關器件應用。在驅動電路主要研究飽和導通和截止兩個狀態(tài)，使其開通上升沿和關斷下降沿都比較陡峭。2.2 IGBT的基本工作特性IGBT的靜態(tài)特性如下：IGBT的伏安特

47、性如圖4（a）所示，伏安特性是以柵射電壓Uge為參變量時，集電極電流Ic和集射電壓Uce之間的關系曲線。IGBT的伏安特性也可分為飽和區(qū)、放大區(qū)和擊穿區(qū)三個部分。在正向導通的大部分區(qū)域內，Ic與Uce呈線性關系，此時IGBT工作于放大區(qū)內。對應著伏安特性明顯彎曲部分，這時Ic與Uce呈非線性關系，此時IGBT工作于飽和區(qū)。開關器件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)將會增大IGBT的損耗。IGBT的轉移特性是指集電極電流Ic與柵射電壓Uge之間的關系曲線。如圖4(b)所示，它與MOSFET的轉移特性相同，當柵射電壓小于開啟電壓Uge(th)時，IGBT處于關斷狀態(tài)。當U

48、geUge(th)時,導通IGBT在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內，Ic與Uge呈線性關系。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4 IGBT的伏安特性和轉移特性IGBT的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通狀態(tài)時，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林頓結構，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示： （2-1）式中Uj1：JI結的正向電壓，其值為0.7-1V；Uff：擴展電阻Rff上的壓降；Roh：溝道電阻。通態(tài)電流Ids可用下式表示： （2-2）式中

49、Imos:流過MOSFET的電流。由于N+區(qū)存在電導調制效應，所以IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT通態(tài)壓降為23V。IGBT的動態(tài)特性如下：圖5是IGBT開關過程的波形圖。IGBT在開通過程與電力MOSFET的開通過程很相似。這是因為IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的。如圖所示，從驅動電壓Uge的前沿上升至其幅值的10%的時刻，到集電極的電流Ic上升至其幅值的10%的時刻止，這段時間為開通延遲時間td(on)，而Ic從10%ICM上升至90%ICM所需的時間為電流的上升時間tr。同樣，開通時間ton為開通延時時間與上升時間之和。開通時，極射電壓Uce的下降

50、過程由tfu1和tfu2兩段。前者為IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；后者為MOSFET何PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。由于Uge下降時IGBT的MOSFET柵漏電容增加，而且IGBT中的PNP晶體管由放大狀態(tài)轉入飽和狀態(tài)也需要一個過程，因此,tfu1段電壓下降過程變緩。只有在tfu2段結束時，IGBT才完全進入飽和狀態(tài)。圖5 IGBT的開關過程IGBT關斷時，從驅動電壓Uge的脈沖后沿下降到其幅值的90%的時刻起，到集電極電流下降到90%ICM止，這段時間為關斷延時時間td(off)；集電極電流從90%ICM下降到10%ICM的這段時間為電流下降時間。二者之和為關斷時間to

51、ff。電流下降時間可以分為tf1和tf2兩段。其中tf1對應IGBT內部的MOSFET的關斷過程。這段時間集電極電流Ic下降較快；tf2對應IGBT內部的PNP的關斷過程，這段時間內MOSFET已經關斷，IGBT又無反向電壓，所以N基區(qū)內的少子復合緩慢，造成Ic下降較慢。IGBT的擎住效應：IGBT為四層結構，存在一個寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在個體區(qū)短路電阻，P型體區(qū)的橫向空穴流過此電阻會產生一定壓降，對J3結相當于一個正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內，這個正偏置電壓不會使NPN晶體管導通；當Ic大到一定程度時，該偏置電壓使NPN晶體管開通，進而使NPN和PNP晶體管

52、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。2.3 IGBT模塊選型目前市場上面的IGBT模塊產品很多，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（標準型）中高壓大電流的CM600HA-24H型號為一單元的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CM600DU-24NFH的最大耐壓值和最大電流值與CM600HA-24H模塊相同，但是CM600DU-24NFH模塊是雙單元結構，而且其柵極電阻Rg的取值范圍為?，F在常用大功率的IGBT模塊中，雙單元的模塊為主流趨勢。本次

53、設計選取的是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，開關頻率為20KHZ，其驅動電路中的柵極電阻Rg在左右。其模塊內的連接電路圖如圖6所示。圖6 FF450R12KT4模塊電路圖3 IGBT驅動研究3.1 驅動電路設計要求柵極正向驅動電壓的大小將對電路性能產生重要影響，必須正確選擇。當正向驅動電壓增大時,IGBT的導通電阻下降，使開通損耗減??；但若正向驅動電壓過大則負載短路時其短路電流Ic隨Uge增大而增大，可能使IGBT出現擎住效應，導致門控失效，從而造成IGBT的損壞；若正向驅動電壓過小會使IGBT退出飽和導通

54、區(qū)而進入線性放大區(qū)域，使IGBT過熱損壞；使用中選12VUge15V為好。柵極負偏置電壓可防止由于關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，一般負偏置電壓選-5V為宜。另外，IGBT開通后驅動電路應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通區(qū)而損壞。 IGBT快速開通和關斷有利于提高工作頻率，減小開關損耗。但在大電感負載下IGBT的開關頻率不宜過大，因為高速開通和關斷時，會產生很高的尖峰電壓，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電阻Rg和柵射電容Cg對IGBT的驅動相當重要。Rg較小，柵射極之間的充放電時間常數比較小，會使開通瞬間電流較大，從

55、而損壞IGBT；Rg較大，有利于抑制dVce/dt但會增加IGBT的開關時間和開關損耗。合適的Cg有利于抑制di/dt，Cg太大，開通時間延時，Cg太小對抑制dic/dt效果不明顯。當IGBT關斷時，柵射電壓很容易受IGBT和電路寄生參數的干擾，使柵射電壓引起器件誤導通，為防止這種現象發(fā)生，可以在柵射間并接一個電阻。此外，在實際應用中為防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，最好在柵射間并接兩只反向串聯的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值應與正負柵壓相同。 3.2 IGBT的驅動電路選型阻尼濾波門極驅動電路，為了消除可能的振蕩現象，IGBT的柵射極間接上RC網絡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驅動電路采用正負偏壓雙電源工作方式。門極驅動電路的輸出線為絞合線。為抑制輸入信號的振蕩現象,在門源端并聯一阻尼