IGBT模块驱动电路Word文档下载推荐.docx

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GBT（InsulatedGateBipolarTransistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;

IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。

N+区称为漏区。

器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。

沟道在紧靠栅区边界形成。

在漏、源之间的P型区（包括P+和P一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannelregion）。

而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。

附于漏注入区上的电极称为漏极。

　IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。

反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。

IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。

当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。

[2]

2.发展历史

1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。

这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。

80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。

[2]在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。

后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。

几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。

90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。

[4]在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。

硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。

这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。

这就是：

穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。

另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。

进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。

1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现[6]，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。

包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。

IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。

PIM向高压大电流发展，其产品水平为1200—1800A/1800—3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。

平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。

IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。

智能化、模块化成为IGBT发展热点。

大电流高电压的IGBT已模块化，它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外，已制造出集成化的IGBT专用驱动电路。

其性能更好，整机的可靠性更高及体积更小。

IGBT是绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor）,它是八十年代初诞生，九十年代迅速发展起来的新型复合器件。

IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。

因此，IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破；

应用频率硬开关5KHz～40KHz，软开关40KHz～150KHz；

功率从五千瓦到几百千瓦的应用场合。

IGBT器件将不断开拓新的应用领域，为高效节能、节材，为新能源、自动化和智能化提供了新的机遇。

为了使初次使用者正确用好IGBT模块，最大限度地发挥IGBT模块的作用，以下是最基本的使用说明。

依据装置负载的工作电压和额定电流以及使用频率,选择合适规格的模块。

用户使用模块前请详细阅读模块参数数据表，了解模块的各项技术指标；

根据模块各项技术参数确定使用方案，计算通态损耗和开关损耗，选择相匹配的散热器及驱动电路。

3.IGBT模块的使用

1．防止静电IGBT是静电敏感器件，为了防止器件受静电危害，应注意以下两点：

①IGBT模块驱动端子上的黑色海绵是防静电材料，用户用接插件引线时取下防静电材料立即插上引线；

在无防静电措施时，不要用手触摸驱动端子。

②驱动端子需要焊接时，设备或电烙铁一定要接地。

2．选择和使用

①请在产品的最大额定值（电压、电流、温度等）范围内使用，一旦超出最大额定值，可能损坏产品，特别是IGBT外加超出Vces的电压时可能发生雪崩击穿现象从而使元件损坏，请务必在Vces的额定值范围内使用！

工作使用频率愈高,工作电流愈小；

源于可靠性的原因，必须考虑安全系数。

如果使用前需要测试请务必使用适当的测试设备，以免测试损坏（特别是IGBT和FRED模块需要专业的测试设备，请勿使用非专业的设备测试其电压的最大值）。

②驱动电路：

由于IGBTVce（sat）和短路耐量之间的折衷关系，建议将栅极电压选为+VG=14～15V，-VG=5～10V，要确保在模块的驱动端子上的驱动电压和波形达到驱动要求；

栅极电阻Rg与IGBT的开通和关断特性密切相关，减小Rg值开关损耗减少，下降时间减少，关断脉冲电压增加；

反之，栅极电阻Rg值增加时，会增加开关损耗，影响开关频率；

应根据浪涌电压和开关损耗间最佳折衷（与频率有关）选择合适的Rg值，一般选为5Ω至100Ω之间。

为防止栅极开路，建议靠近栅极与发射极间并联20K～30KΩ电阻。

驱动布线要尽量短且采用双绞线；

在电源合闸时请先投入驱动控制部分的电源，使其驱动电路工作后再投入主电路电源。

③保护电路：

IGBT模块使用在高频时布线电感容易产生尖峰电压，必须注意减少布线电感和元件的配置，应注意以下保护项目：

过电流保护、过电压保护、栅极过压及欠压保护、安全工作区、过温保护。

④吸收电路：

由于IGBT开关速度快，容易产生浪涌电压，必须设有浪涌钳位电路。

⑤并联使用：

应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。

⑥使用时请避开产生腐蚀气体和严重尘埃的场所。

㈢安装

①散热器应根据使用环境及模块参数进行匹配选择，以保证模块工作时对散热器的要求。

②散热器表面的光洁度应小于10mm，每个螺丝之间的平面扭曲小于10mm。

为了减少接触热阻，推荐在散热器与模块之间涂上一层很薄的导热硅脂，模块均匀受力后,从模块边缘可看出有少许导热硅脂挤出为最佳。

③模块安装在散热器上时，螺钉需用说明书中给出的力矩拧紧。

力矩不足导致热阻增

4.IGBT模块

IGBT是InsulatedGateBipolarTransistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

IGBT的等效电路如图1所示。

由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；

若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极—发射极间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。

1.IGBT的等效电路

2IGBT模块的选择

IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。

其相互关系见下表。

使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。

同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。

特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。

3使用中的注意事项

由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。

由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V。

因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。

因此使用中要注意以下几点：

在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸；

在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块；

尽量在底板良好接地的情况下操作。

在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。

为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。

在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

此外，在栅极—发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。

这时，如果集