IGBT工作原理.docx
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IGBT工作原理
IGBT工作原理
IGBT的工作原理和工作特性
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，流过反向基极电流，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。
IGBT的工作特性包括静态和动态两类：
1．静态特性:
IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出
漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。
它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区
1、放大区2和击穿特性3部分。
在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承
担。
如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只
能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。
IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。
它与MOSFET的转移特性
相同，当栅源电压小于开启电压Ugs（th）时，IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大部分漏极电流
范围内，Id与Ugs呈线性关系。
最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。
IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体
管为宽基区晶体管，所以其B值极低。
尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总
电流的主要部分。
此时，通态电压Uds（on）可用下式表示
Uds（on）＝Uj1＋Udr＋IdRoh
式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～IV；
Udr——扩展电阻Rdr上的压降；
Roh——沟道电阻。
通态电流Ids可用下式表示：
Ids=（1+Bpnp）Imos
式中Imos——流过MOSFET的电流。
由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V。
IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
2．动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds
下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。
td（on）为开通延迟时间，tri
为电流上升时间。
实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td（on）tri之和。
漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成，如图2－58所示
IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。
因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td（off）为关断延迟时间，trv为电压Uds（f）的上升时间。
实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图2－59中的t（f1）和t（f2）两段组成，而漏极电流的关断时间
t（off）=td（off）+trv十t（f）（2－16）
式中，td（off）与trv之和又称为存储时间。
由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体，特别是其栅极为MOS结构，因此除了上述应有的保护之外，就像其他MOS结构器件一样，IGBT对于静电压也是十分敏感的，故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：
——在需要用手接触IGBT前，应先将人体上的静电放电后再进行操作，并尽量不要接触模块的驱动端子部分，必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉；
——在焊接作业时，为了防止静电可能损坏IGBT，焊机一定要可靠地接地。
2．2集电极与发射极间的过压保护
过电压的产生主要有两种情况，一种是施加到IGBT集电极－发射极间的直流电压过高，另一种为集电极－发射极上的浪涌电压过高。
2.2.1直流过电压
直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。
解决的办法是在选取IGBT时，进行降额设计；另外，可在检测出这一过压时分断IGBT的输入，保证IGBT的安全。
2.2.2浪涌电压的保护
因为电路中分布电感的存在，加之IGBT的开关速度较高，当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt，威胁IGBT的安全。
通常IGBT的浪涌电压波形如图3所示。
图中：
vCE为IGBT?
电极－发射极间的电压波形；
ic为IGBT的集电极电流；
Ud为输入IGBT的直流电压；
VCESP=Ud＋Ldic/dt,为浪涌电压峰值。
如果VCESP超出IGBT的集电极－发射极间耐压值VCES，就可能损坏IGBT。
解决的办法主要有：
——在选取IGBT时考虑设计裕量；
——在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg，使di/dt尽可能小；
——尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感；
——根据情况加装缓冲保护电路，旁路高频浪涌电压。
由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用，在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。
——C缓冲电路如图4（a）所示，采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单，其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电压振荡，而且IGBT开通时集电极电流较大。
——RC缓冲电路如图4（b）所示，其特点是适合于斩波电路，但在使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻值增大，否则，开通时集电极电流过大，使IGBT功能受到一定限制。
——RCD缓冲电路如图4（c）所示，与RC缓冲电路相比其特点是，增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。
该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为
P=LI2f＋CUd2f式中：
L为主电路中的分布电感；
I为IGBT关断时的集电极电流；
f为IGBT的开关频率；
C为缓冲电容；
Ud为直流电压值。
——放电阻止型缓冲电路如图4（d）所示，与RCD缓冲电路相比其特点是，产生的损耗小，适合于高频开关。
在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为
P=1/2LI2f+1/2CUf
根据实际情况选取适当的缓冲保护电路，抑制关断浪涌电压。
在进行装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好。
2．3集电极电流过流保护
对IGBT的过流保护，主要有3种方法。
2.3.1用电阻或电流互感器检测过流进行保护
如图5（a）及图5（b）所示，可以用电阻或电流互感器与IGBT串联，检测流过IGBT集电极的电流。
当有过流情况发生时，控制执行机构断开IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。
2.3.2由IGBT的VCE（sat）检测过流进行保护
如图5（c）所示，因VCE（sat）=IcRCE（sat），当Ic增大时，VCE（sat）也随之增大，若栅极电压为高电平，而VCE为高，则此时就有过流情况发生，此时与门输出高电平，将过流信号输出，控制执行机构断开IGBT的输入，保护IGBT。
2.3.3检测负载电流进行保护
此方法与图5（a）中的检测方法基本相同，但图5（a）属直接法，此属间接法，如图5（d）所示。
若负载短路或负载电流加大时，也可能使前级的IGBT的集电极电流增大，导致IGBT损坏。
由负载处（或IGBT的后一级电路）检测到异常后，控制执行机构切断IGBT的输入，达到保护的目的。
2．4过热保护
一般情况下流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故而器件的损耗也比较大，如果热量不能及时散掉，使得器件的结温Tj超过Tjmax，则IGBT可能损坏。
IGBT的功耗包括稳态功耗和动态动耗，其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。
在进行热设计时，不仅要保证其在正常工作时能够充分散热，而且还要保证其在发生短时过载时，IGBT的结温也不超过Tjmax。
当然，受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑，散热系统也不可能无限制地扩大。
可在靠近IGBT处加装一温度继电器等，检测IGBT的工作温度。
控制执行机构在发生异常时切断IGBT的输入，保护其安全。
除此之外，将IGBT往散热器上安装固定时应注意以下事项：
——由于热阻随IGBT安装位置的不同而不同，因此，若在散热器上仅安装一个IGBT时，应将其安装在正中间，以便使得热阻最小；当要安装几个IGBT时，应根据每个IGBT的发热情况留出相应的空间；
——使用带纹路的散热器时，应将IGBT较宽的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形；
——散热器的安装表面光洁度应≤10μm，如果散热器的表面不平，将大大增加散热器与器件的接触热阻，甚至在IGBT的管芯和管壳之间的衬底上产生很大的张力，损坏IGBT的绝缘层；
——为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。
3结语
在应用IGBT时应根据实际情况，采取相应的保护措施。
只要在过压、过流、过热等几个方面都采取有效的保护措施后，在实际应用中均能够取得良好的效果，保证IGBT安全可靠地工作。
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