IGBT的工作原理和工作特性 2.docx

1、IGBT的工作原理和工作特性 2IGBT的工作原理与工作特性 IGBT的开关作用就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的驱动方法与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与动态两类:1.静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性与开关特性。IGBT的伏安特性就是指以

2、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.也可分为饱与区1、放大区2与击穿特性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的转移特性就是指输出漏极电流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

3、,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的开关特性就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)Uj1UdrIdRoh (214) 式中Uj1JI结的正向电压,其值为0、7IV; 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 (215) 式中Imos流过MOSFET的电流。由于N+区

4、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23V。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,大部分时间就是作为MOSFET来运行的,只就是在漏源电压Uds下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱与,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之与。漏源电压的下降时间由tfe1与tfe2组成,如图258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

5、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 259 中的 t(f1) 与 t(f2) 两段组成,而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv + t(f) ( 216 ) 式中, td(off) 与 trv 之与又称为存储时间。 IGBT的基本结构绝缘栅双极晶体管(IGBT)本质上就是一个场效应晶体管,只就是在漏极与漏区之间多了一个 P 型层。根据国际电工委员会的文件建议,其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。 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,

6、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+与P一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区(Subchannel region )。而在漏区另一侧的 P+ 区称为漏注入区(Drain injector ),它就是 IGBT 特有的功能区,与漏区与亚沟道区一起形成 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。 为了兼顾长期以来人们的习惯,IEC规定:源极引出的电极端子(含电极端)称为发射极端(子),漏极引出的电极端(子)称为集电

7、极端(子)。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此而已。 IGBT的结构剖面图如图2所示。它在结构上类似于MOSFET ,其不同点在于IGBT就是在N沟道功率MOSFET 的N+基板(漏极)上增加了一个P+ 基板(IGBT 的集电极),形成PN结j1 ,并由此引出漏极、栅极与源极则完全与MOSFET相似。图1 N沟道IGBT结构图2 IGBT的结构剖面图由图2可以瞧出,IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR ,其简化等效电路如图3所示。图中Rdr就是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT就是以GTR 为主导件、MOSFET 为驱动件的复合结构。 N沟道IGBT的图形符号有两种,如图4所示。实

8、际应用时,常使用图25所示的符号。对于P沟道,图形符号中的箭头方向恰好相反,如图4所示。 IGBT 的开通与关断就是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时,MOSFET 内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通,此时,从P+区注到N一区进行电导调制,减少N一区的电阻 Rdr值,使高耐压的 IGBT 也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时,MOSFET 内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT 即关断。 正就是由于 IGBT 就是在N 沟道 MOSFET 的 N+ 基板上加一层 P+ 基板,形成了四层结构,由PNPNPN晶体管构成 IGBT 。但就是,NPN晶体管与

9、发射极由于铝电极短路,设计时尽可能使NPN不起作用。所以说, IGBT 的基本工作与NPN晶体管无关,可以认为就是将 N 沟道 MOSFET 作为输入极,PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。 采取这样的结构可在 N一层作电导率调制,提高电流密度。这就是因 为从 P+ 基板经过 N+ 层向高电阻的 N一层注入少量载流子的结果。 IGBT 的设计就是通过 PNPNPN 晶体管的连接形成晶闸管。2、IGBT模块的术语及其特性术语说明术语符号定义及说明(测定条件参改说明书)集电极、发射极间电压 VCES 栅极、发射极间短路时的集电极,发射极间的最大电压 栅极发极间电压 VGES 集电极、发射极间短路

10、时的栅极,发射极间最大电压 集电极电流 IC 集电极所允许的最大直流电流 耗散功率PC 单个IGBT所允许的最大耗散功率 结温 Tj 元件连续工作时芯片温厦 关断电流 ICES 栅极、发射极间短路,在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。漏电流 IGES 集电极、发射极间短路,在栅极、集电极间加上指定的电压时的栅极漏电流 饱与压降V CE(sat) 在指定的集电极电流与栅极电压的情况下,集电极、发射极间的电压。输入电容 Clss 集电极、发射极间处于交流短路状态,在栅极、发射极间及集电极、发射极间加上指定电压时,栅极、发射极间的电容 3、IGBT模块使用上的注意事项1、 IGBT模块的

11、选定 在使用IGBT模块的场合,选择何种电压,电流规格的IGBT模块,需要做周密的考虑。a、 电流规格IGBT模块的集电极电流增大时,VCE(-)上升,所产生的额定损耗亦变大。同时,开关损耗增大,原件发热加剧。因此,根据额定损耗,开关损耗所产生的热量,控制器件结温(Tj)在 150oC以下(通常为安全起见,以125oC以下为宜),请使用这时的集电流以下为宜。特别就是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热也加剧,需十分注意。一般来说,要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用,从经济角度这就是值得推荐的。b、电压规格 IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即市电电源电压紧密相关。其相

12、互关系列于表1。根据使用目的,并参考本表,请选择相应的元件。 元器件电压规格600V1200V1400V电源电压200V;220V;230V;240V346V;350V;380V;400V;415V;440V575V2、 防止静电IGBT的VGE的耐压值为20V,在IGBT模块上加出了超出耐压值的电压的场合,由于会导致损坏的危险,因而在栅极-发射极之间不能超出耐压值的电压,这点请注意。在使用装置的场合,如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时(珊极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止这类损坏情况发生,应在栅极一发射极之间接一只10k左左的电阻为宜。此外,由于IG

13、BT模块为MOS结构,对于静电就要十分注意。因此,请注意下面几点:1)在使用模块时,手持分装件时,请勿触摸驱动端子部份。2)在用导电材料连接驱动端子的模块时,在配线未布好之前,请先不要接上模块。3)尽量在底板良好接地的情况下操作。4)当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电放电后,再触摸。 5)在焊接作业时,焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生,为了防止静电的产生,请先将焊机处于良好的接地状态下。6)装部件的容器,请选用不带静电的容器。3、并联问题用于大容量逆变器等控制大电流场合使用IGBT模块时,可以使用多个器件并联。并联时,要使每个器件流过均等的电流就是非常重要的,如果一旦电流

14、平衡达到破坏,那么电过于集中的那个器件将可能被损坏。 为使并联时电流能平衡,适当改变器件的特性及接线方法。例如。挑选器件的VCE(sat)相同的并联就是很重要的。4、其她注意事项1)保存半导体原件的场所的温度,温度,应保持在常温常湿状态,不应偏离太大。常温的规定为535,常湿的规定为4575左右。2)开、关时的浪涌电压等的测定,请在端子处测定。实验目的1.熟悉IGBT主要参数与开关特性的测试方法。2.掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。二、实验内容1.IGBT主要参数测试。2.EXB840性能测试。3.IGBT开关特性测试。4.过流保护性能测试。三、实验设备与仪器1.MCL系

15、列教学实验台主控制屏 2.MCL07电力电子实验箱中的IGBT与PWM波形发生器部分。3.万用表二块 4.双踪示波器。 四、实验线路见图51。五、实验方法 1.IGBT主要参数测试(1)开启阀值电压VGS(th)测试在主回路的“1”端与IGBT的“18”端之间串入毫安表,将主回路的“3”与“4”端分别与IGBT管的“14”与“17”端相连,再在“14”与“17”端间接入电压表,并将主回路电位器RP左旋到底。将电位器RP逐渐向右旋转,边旋转边监视毫安表,当漏极电流ID=1mA时的栅源电压值即为开启阀值电压VGS(th)。读取67组ID、Vgs,其中ID=1mA必测,填入表51。表51ID(mA)

16、1Vgs(V)(2)跨导gFS测试在主回路的“2”端与IGBT的“18”端串入安培表,将RP左旋到底,其余接线同上。将RP逐渐向右旋转,读取ID与对应的VGS值,测量56组数据,填入表52。表52ID(mA)1Vgs(V)(3)导通电阻RDS测试将电压表接入“18”与“17”两端,其余同上,从小到大改变VGS,读取ID与对应的漏源电压VDS,测量56组数据,填入表53。表53ID(mA)1Vgs(V) 2.EXB840性能测试(1)输入输出延时时间测试IGBT部分的“1”与“13”分别与PWM波形发生部分的“1”与“2”相连,再将IGBT部分的“10”与“13”、与门输入“2”与“1”相连,用

17、示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12” 与“13”之间波形,记录开通与关断延时时间。ton= ,toff= 。 (2)保护输出部分光耦延时时间测试将IGBT部分“10”与“13”的连线断开,并将“6”与“7”相连。用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13” 之间波形,记录延时时间。(3)过流慢速关断时间测试接线同上,用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形,记录慢速关断时间。(4)关断时的负栅压测试断开“10”与“13”的相连,其余接线同上,用示波器观察“12”与“17”之间波形,记录关断时的负栅压值。(5)过流阀值电压测试断开“10”与“13”,“2”与

18、“1”的相连,分别连接“2”与“3”,“4”与“5”,“6”与“7”,将主回路的“3”与“4”分别与“10”与“17”相连,即按照以下表格的说明连线。RP左旋到底,用示波器观察“12”与“17”之间波形,将RP逐渐向右旋转,边旋转边监视波形,一旦该波形消失时即停止旋转,测出主回路“3”与“4”之间电压值,该值即为过流保护阀值电压值。(6)4端外接电容器C1功能测试供教师研究用EXB840使用手册中说明该电容器的作用就是防止过流保护电路误动作(绝大部分场合不需要电容器)。a.C1不接,测量“8”与“13”之间波形。b.“9”与“13”相连时,测量“8”与“13” 之间波形,并与上述波形相比较。3

19、.开关特性测试(1)电阻负载时开关特性测试将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连,“4”与“5”,“6”与“7”,2“与”3“,“12”与“14”,“10”与“18”,“17”与“16”相连,主回路的“1”与“4”分别与IGBT部分 的“18”与“15”相连。即按照以下表格的说明连线。用示波器分别观察“18”与“15”及“14”与“15”的波形,记录开通延迟时间。(2)电阻,电感负载时开关特性测试将主回路“1”与“18”的连线断开,再将主回路“2”与“18”相连,用示波器分别观察“18”与“15”及“16”与“15”的波形,记录开通延迟时间。(3)不同栅极电阻时开关特性测试将“1

20、2”与“14”的连线断开,再将“11”与“14”相连,栅极电阻从R53k改为R4=27,其余接线与测试方法同上。 4.并联缓冲电路作用测试(1)电阻负载,有与没有缓冲电路时观察“14”与“17”及“18”与“17”之间波形。(2)电阻,电感负载,有与没有缓冲电路时,观察波形同上。5.过流保护性能测试,栅计电阻用R4在上述接线基础上,将“4”与“5”,“6”与“7”相连,观察“14”与“17”之间波形,然后将“10”与“18”之间连线断开,并观察驱动波形就是否消失,过流指示灯就是否发亮,待故障消除后, 揿复位按钮即可继续进行试验。六、实验报告1.根据所测数据,绘出IGBT的主要参数的表格与曲线

21、。2.绘出输入、输出及对光耦延时以及慢速关断等波形,并标出延时与慢速关断时间。3.绘出所测的负栅压值与过流阀值电压值。4.绘出电阻负载,电阻电感负载以及不同栅极电阻时的开关波形,并在图上标出tON 与tOFF。5.绘出电阻负载与电阻、电感负载有与没有并联缓冲电路时的开关波形,并说明并联缓冲电路的作用。6.过流保护性能测试结果,并对该过流保护电路作出评价。7.实验的收获、体会与改进意见。七、思考题1.试对由EXB840构成的驱动电路的优缺点作出评价。2.在选用二极管V1时,对其参数有何要求？其正向压降大小对IGBT的过流保护功能有何影响？ 3.通过MOSFET与IGBT器件的实验,请您对两者在驱

22、动电路的要求,开关特性与开关频率,有 、无反并联寄生二极管,电流、电压容量以及使用中的注意事项等方面作一分析比较。深圳市学林电子有限公司产品的购买方式IGBT就是强电流、高压应用与快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性,但就是在高电平时,功率导通损耗仍然要比IGBT 高出很多。IGBT较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的

23、能力,以及IGBT的结构,与同一个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化 IGBT驱动器的原理图。1、IGBT的结构与工作原理图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+ 与P 一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区( Subchannel region )。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector ),它就是IGBT 特有的功能区,与漏区与亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管,起发射极的作用,

24、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 的开关作用就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 的驱动方法与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、IGBT 的工作特性1、静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性与开

25、关特性。IGBT 的伏安特性就是指以栅源电压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.也可分为饱与区1 、放大区2 与击穿特性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 的转移特性就是指输出漏极电流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(t

26、h) 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 的开关特性就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 1V ;Udr 扩展电阻Rdr 上的压降;Roh 沟道电阻。通态电流Ids 可用下式

27、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,大部分时间就是作为MOSFET 来运行的,只就是在漏源电压Uds 下降过程后期, PNP 晶体管由放大区至饱与,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 之与。漏源电压的下降时间由tfe1 与tfe2 组成。IGBT的触发与关断

28、要求给其栅极与基极之间加上正向电压与负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求与电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行触发,不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极与发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V,与MOSFET相当。IGBT导通时的饱与压降比MOSFET

29、低而与GTR接近,饱与压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现,其电压与电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求,特别就是在高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件,德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域。与此同时,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱与压降、高可靠性、低成本技术,主要采用1m以下制作工艺,研制开发取得

30、一些新进展。3、IGBT的工作原理N沟型的 IGBT工作就是通过栅极发射极间加阀值电压VTH以上的(正)电压,在栅极电极正下方的p层上形成反型层(沟道),开始从发射极电极下的n-层注入电子。该电子为p+n-p晶体管的少数载流子,从集电极衬底p+层开始流入空穴,进行电导率调制(双极工作),所以可以降低集电极发射极间饱与电压。工作时的等效电路如图1(b)所示,IGBT的符号如图1(c)所示。在发射极电极侧形成n+pn寄生晶体管。若n+pn寄生晶体管工作,又变成p+n pn+晶闸管。电流继续流动,直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。为了抑制n+pn-寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+n-p晶体管的电流放大系数作为解决闭锁的措施。具体地来说,p+