电力电子半导体器件(IGBT)PPT格式课件下载.pptx

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具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型IGBT差。

按沟道类型：

N沟道IGBTP沟道IGBT,2开通和关断原理：

IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。

门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。

在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。

VDS为负时：

J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。

VDS为正时：

VGVT，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通。

关断时拖尾时间：

在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。

锁定现象：

由于IGBT结构中寄生着PNPN四层结构，存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。

出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通条件：

1+2=1a.静态锁定：

IGBT在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定发生在稳态电流密度超过某一数值时。

b.动态锁定：

动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下、主要是因为在电流较大时引起1和2的增加，以及由过大的dv/dt引起的位移电流造成的。

c.栅分布锁定：

是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或后关断的IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。

采取各种工艺措施，可以提高锁定电流，克服由于锁定产生的失效。

三、基本特性：

（一）静态特性1伏安特性：

几十伏，无反向阻断能力,饱和区,放大区,击穿区,2饱和电压特性：

IGBT的电流密度较大，通态电压的温度系数在小电流范围内为负。

大电流范围为正，其值大约为1.4倍100。

3转移特性：

与功率MOSFET的转移特性相同。

当门源电压VGS小于开启电压VT时，IGBT处于关断状态，加在门源间的最高电压由流过漏极的最大电流所限定。

一般门源电压最佳值15V。

4开关特性：

与功率MOSFET相比，IGBT通态压降要小得多，1000V的IGBT约有25的通态压降。

这是因为IGBT中N漂移区存在电导调制效应的缘故。

（二）动态特性1开通过程：

td（on）：

开通延迟时间tri：

电流上升时间tfv1，tfv2：

漏源电压下降时间tfv1：

MOSFET单独工作时的电压下降时间。

tfv2：

MOSFET和PNP管同时工作时的电压下降时间。

随漏源电压下降而延长；

受PNP管饱和过程影响。

平台：

由于门源间流过驱动电流，门源间呈二极管正向特性，VGS维持不变。

2关断过程：

td（off）：

延迟时间trv：

VDS上升时间tfi2：

由PNP晶体管中存储电荷决定，此时MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，体内存储电荷很难迅速消除，因此下降时间较长，VDS较大，功耗较大。

一般无缓冲区的，下降时间短。

由MOSFET决定,3开关时间：

用电流的动态波形确定开关时间。

漏极电流的开通时间和上升时间：

开通时间：

ton=td（on）+tri上升时间：

tr=tfv1+tfv2漏极电流的关断时间和下降时间：

关断时间：

toff=td（off）+trv下降时间：

tf=tfi1+tfi2反向恢复时间：

trr,4开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：

5开关损耗与温度和漏极电流关系,（三）擎住效应IGBT的锁定现象又称擎住效应。

IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。

在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上，P型体区的横向空穴流会产生一定压降。

对J3结来说相当于加一个正偏置电压。

在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，NPN晶体管不起作用。

当漏极电流人到定程度时，这个正偏量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。

IGBT发生擎住效应后。

漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。

漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称为静态擎住现象。

IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。

动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。

动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定，此外还受漏极电流IDM以及结温Tj等因素的影响。

在使用中为了避免IGBT发生擎住现象:

1设计电路时应保证IGBT中的电流不超过IDM值；

2用加大门极电阻RG的办法延长IGBT的关断时间，减小重加dVDS/dt。

3器件制造厂家也在IGBT的工艺与结构上想方设法尽可能提高IDM值，尽量避免产生擎住效应。

（四）安全工作区1FBSOA：

IGBT开通时正向偏置安全工作区。

随导通时间的增加，损耗增大，发热严重，安全区逐步减小。

2RBSOA：

IGBT关断时反向偏置安全工作区。

随IGBT关断时的重加dVDS/dt改变，电压上升率dVDS/dt越大，安全工作区越小。

通过选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设计可控制重加dVDS/dt，扩大RBSOA。

最大漏极电流,最大漏源电压VDSM,（五）具体参数和特性,7.2门极驱动,一、驱动条件：

门极驱动电路的正偏压VGS，负偏压VGS，门极电阻RG的大小，决定IGBT的静态和动态特性，如：

通态电压、开关时间、开关损耗、短路能力、电流di/dt及dv/dt。

1正偏电压VGS的影响,VGS增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，但VGS增加到一定程度后，对IGBT的短路能力及电流di/dt不利，一般VGS不超过15V。

（12V15V）,2负偏压VGS的影响：

门极负偏压可以减小漏极浪涌电流，避免发生锁定效应，但对关断特性影响不大。

如图：

3门极电阻RG的影响：

当门极电阻RG增加时，IGBT的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能耗和关断能损也增加。

但RG减小时，IGBT的电流上升率di/dt增大，会引起IGBT的误导通，同时RG电阻的损耗也增加。

一般，在开关损耗不太大的情况下，选较大的电阻RG。

4IGBT驱动电路设计要求：

（1）由于是容性输入阻抗，因此IGBT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。

（2）用低内阻的驱动源对门极电容充放电以保证门极控制电压VGS有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。

另外IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。

（3）门极电路中的正偏压应为+12+15V；

负偏压应为210V。

（4）IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。

（5）门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗于扰能力。

（6）若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。

二、驱动电路：

在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBT的输入特性与MOSFET几乎相同，因此与MOSFET的驱动电路几乎一样。

注意：

1IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。

2信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号传输时间短的快速光耦。

3门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。

4为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。

三、常用PWM控制芯片：

TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060，VC1840，SL-64等。

四、IGBT专用驱动模块：

大多数IGBT生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系列、日本东芝的TK系列，美国库托罗拉的MPD系列等。

这些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。

富士的EXB841快速驱动电路,由放大电路，过流保护电路，5V基准电压源电路组成。

具有过流缓关断功能。

7.3IGBT的保护,一、常用的保护措施：

（1）通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护

（2）利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的dv/dt。

（3）利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳问，实现过热保护。

二、过电流保护措施及注意问题：

1IGBT短路时间：

2过电流的识别：

采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大小。

进而切断门极控制信号。

识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流时间（几个us），同时判断短路的真与假，常用方法是利用降低门极电压使IGBT承受短路能力增加，保护电路动作时间延长来处理。

3保护时缓关断：

由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度快。

如果按正常时的关断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿，极易损坏IGBT和设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采取措施使IGBT进行“慢速关断”。

采用电流互感器和霍尔元件进行过流检测及过流保护：

三、缓冲电路利用缓冲电路抑制过电压，减小dv/dt。

50A,200A,200A,缓冲电路参数估算：

缓冲电容：

L主回路杂散电感（与配线长度有关）I0关断时漏极电流VCEP缓冲电容上电压稳态值（有安全区确定）Ed直流电源电压缓冲电阻：

在关断信号到来前，将缓冲电容上电荷放净,f：

开关频率,缓冲电阻功率：

LS：

缓冲电路电感,7.4应用实例,一、静音式变频调速系统,二、工业加热电源：

三、逆变弧焊电源：

四、不间断电源：

UPS,五、有源功率滤波器：

第八章新型电力半导体器件,一、新型电力电子器件IGCT集成门极换流晶闸管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）是1996年问世的一种新型半导体开关器件。

该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的。

门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。

IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5M3MVA，三电平逆变器1M6MVA。

若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器