关于IGBT的讨论.docx

1、关于IGBT的讨论关于IGBT的讨论IGBT的基本结构IGBT的工作原理和工作特性IGBT的擎住效应和安全工作区IGBT的驱动与保护技术集成IGBT驱动电路EXB841EXB841原理分析使用IGBT中的注意事项和EXB841典型应用电路IGBT 的基本结构 绝缘栅双极晶体管本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层。根据国际电 工委员会 IEC TC （ CO ） 1339 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 2 53 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

2、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。 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）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术语了。但仅此

3、而已。 IGBT 的结构剖面图如图 2 53 所示。它在结构上类似于 MOSFET ，其不同点在于 IGBT 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、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似。 由图 2 54 可以看出， IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR ，其简化等效电路如图 2 55 所示。图中 Rdr 是厚基区 GTR 的扩展电阻。 IGBT 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 2 56 。所

4、示。实际应用时，常使用图 2 56b 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 2 57 所示。 IGBT 的开通和关断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。 正是由于 IGBT 是在N 沟道 MOSFET 的 N+ 基板上加一层 P+ 基板，形成了四层结构，

5、由 PNP NPN 晶体管构成 IGBT 。但是， NPN 晶体管和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。这是因 为从 P+ 基板经过 N+ 层向高电阻的 N- 层注入少量载流子的结果。 IGBT 的设计是通过 PNP NPN 晶体管的连接形成晶闸管。 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 IG

6、BT 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

7、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

8、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 （ 2 14 ） 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

9、示： Ids=(1+Bpnp)Imos(2 15 ） 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 t

10、fe1 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。 IGBT 的擎住效应与安全工作区 擎住效应 在分析擎住效应之前，我们先回

11、顾一下 IGBT 的工作原理（这里假定不发生擎住效应）。 1 当 Uce 0 时， J3 反偏，类似反偏二极管， IGBT 反向阻断； 2 当 Uce 0 时，在 UcUth 的情况下，沟道未形成， IGBT 正向阻断；在 U 。 Uth 情况下，栅极的沟道形成， N+ 区的电子通过沟道进入 N 一漂移区，漂移到 J3 结，此时 J3 结是正偏，也向 N 一区注入空穴，从而在 N 一区产生电导调制，使 IGBT 正向导通。 3 IGBT 的关断。在 IGBT 处于导通状态时，当栅极电压减至为零，此时 Ug 0 Uth ，沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使 Ic 有一个突降。但由于 N 一区注

12、入大量电子、空穴对， IC 不会立刻为零，而有一个拖尾时间。 IGBT 为四层结构，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图 2 60 所示。在 V2 的基极与发射极之间并有一个扩展电阻 Rbr ，在此电阻上 P 型体区的横向空穴会产生一定压降，对 J3 结来说，相当于一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏置电压不大， V2 不起作用，当 Id 大到一定程度时，该正偏置电压足以使 V2 开通，进而使 V2 和 V3 处于饱和状态，于是寄生晶体管开通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应 .IGBT 发生擎住效应后，漏极电流增大，造成过高功耗，导致损坏。可见，漏极电流有一个临界值 Id

13、m 。，当 Id Idm 时便会产生擎住效应。 在 IGBT 关断的动态过程中，假若 dUds dt 过高，那么在 J2 结中引起的位移电流 Cj2 （ dUds/dt ）会越大，当该电流流过体区扩展电阻 Rbr 时，也可产生足以使晶体管 V2 开通的正向偏置电压，满足寄生晶体管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。使用中必须防止 IGBT 发生擎住效应，为此可限制 Idm 值，或者用加大栅极电阻 Rg 的办法延长 IGBT 关断时间，以减少 dUds/dt 值。 值得指出的是，动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住所允许的要小，放生产厂家所规定的） Id 值是按动态擎住所允许的最大漏极电流来确定的。

14、 安全工作区 安全工作区（ SOA ）反映了一个晶体管同时承受一定电压和电流的能力。 IGBT 开通时的正向偏置安全工作区（ FBSOA ），由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大漏极电流 Idm 是根据避免动态擎住而设定的，最大漏源电压 Udsm 是由 IGBT 中晶体管 V3 的击穿电压所确定，最大功耗则是由最高允许结温所决定。导通时间越长，发热越严重，安全工作区则越窄，如图 2 61 。所示。 IGBT 的反向偏置安全工作区（ RBSOA ）如图 2 61b 所示，它随 IGBT 关断时的 dUds dt 而改变， dUds dt 越高， RBSOA 越窄。IGBT 的驱动与保护技

15、术 1 IGBT 的驱动条件驱动条件与 IGBT 的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和 dUds dt 引起的误触发等问题。 正偏置电压 Uge 增加，通态电压下降，开通能耗 Eon 也下降，分别如图 2 62a 和 b 所示。由图中还可看出，若十 Uge 固定不变时，导通电压将随漏极电流增大而增高，开通损耗将随结温升高而升高。 负偏电压一 Uge 直接影响 IGBT 的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响， Uge 与集电极浪涌电流和关断能耗 Eoff 的关系分别如图 2 63a 和 b 所示。 门极电阻 Rg 增加，将使 IG

16、BT 的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减少，则又使 di/dt 增大，可能引发 IGBT 误导通，同时 Rg 上的损耗也有所增加。具体关系如图 2-64 。 由上述不难得知： IGBT 的特性随门板驱动条件的变化而变化 , 就象双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。但是 IGBT 所有特性不能同时最佳化。 双极型晶体管的开关特性随基极驱动条件（ Ib1 ， Ib2 ）而变化。然而，对于 IGBT 来说，正如图 2 63 和图 2 64 所示，门极驱动条件仅对其关断特性略有影响。因此，我们应将更多的注意力放在 IGBT 的开通、短路负载容量上。 对驱

17、动电路的要求可归纳如下： l ） IGBT 与 MOSFET 都是电压驱动，都具有一个 2 5 5V 的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此 IGBT 对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短。 2 ）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 Uge, 有足够陡的前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外， IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使 IGBT 不退出饱和而损坏。 3 ）驱动电路要能传递几十 kHz 的脉冲信号。 4 ）驱动电平十 Uge 也必须综合考虑。 Uge 增大时， IGBT 通态

18、压降和开通损耗均下降，但负载短路时的 Ic 增大， IGBT 能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中 Uge 应选得小些，一般选 12 15V 。 5 ）在关断过程中，为尽快抽取 PNP 管的存储电荷，须施加一负偏压 Uge, 但它受 IGBT 的 G 、 E 间最大反向耐压限制，一般取 -1v -10V 。 6 ）在大电感负载下， IGBT 的开关时间不能太短，以限制出 di/dt 形成的尖峰电压，确保 IGBT 的安全。 7 ）由于 IGBT 在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。 8 ） IGBT 的栅极驱动电路应尽可能简单实用

19、，最好自身带有对 IGBT 的保护功能，有较强的抗干扰能力。 集成化 IGBT 专用驱动器 EXB841现在，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，现在已制造出集成化的 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。 集成化驱动电路的构成及性能 下面以富士电机公司 EXB 系列驱动器为例加以介绍。 EXB850 （ 851 ）为标准型（最大 10kHz 运行），其内部电路框图如图 2 65 。所示。 EXB840 （ 841 ）是高速型（最大 40kHz 运行），其内部电路框图如图 2 65b 所示。它为直插式结构，额定参数和运行条件

20、可参考其使用手册。 EXB 系列驱动器的各引脚功能如下： 脚 1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器； 脚 2 ：电源（ 20V ）； 脚 3 ：驱动输出； 脚 4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）； 脚 5 ：过流保护输出； 脚 6 ：集电极电压监视； 脚 7 、 8 ：不接； 脚 9 ：电源； 脚 10 、 11 ：不接； 脚 14 、 15 ：驱动信号输入（一，）； 由于本系列驱动器采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔离，因此能用于交流 380V 的动力设备上。 IGBT 通常只能承受 10us 的短路电流，所以必须有快速保护电路。 EXB 系

21、列驱动器内设有电流保护电路，根据驱动信号与集电极之间的关系检测过电流，其检测电路如图 2 66 。所示。当集电极电压 高时，虽然加入信号也认为存在过电流，但是如果发生过电流，驱动器的低速切断电路就慢速关断 IGBT （ loUs 的过流不响应），从而保证 1GBT 不被损坏。如果以正常速度切断过电流，集电极产生的电压尖脉冲足以破坏 IGBT ，关断时的集电极波形如图 2 66b 所示 IGBT 在开关过程中需要一个十 15V 电压以获得低开启电压，还需要一个一 5V 关栅电压以防止关断时的误动作。这两种电压 （ 15V 和一 5V ）均可由 20v 供电的驱动器内部电路产生，如图 2-66C

22、所示。 EXB841 剖析 为了更好地应用 IGBT ，有关专家对 EXB841 作了解剖，经反复测试、整理，得到 EXB841 的原理图，如 图 2 67 所示。图中参数均为实际测得，引脚标号与实际封装完全相同。 EXB841 由放大部分、过流保护部分和 5V 电压基准部分组成。 放大部分由光耦合器 IS01 （ TLP550 ）、 V2 、 V4 、 V5 和 R1 、 C1 、 R2 、 R9 组成，其中 IS01 起隔离作用， V2 是中间级， V4 和 V5 组成推挽输出。 过流保护部分由 V1 、 V3 、 VD6 、 VZI 和 C2 、 R3 、 R4 、 R5 、 R6 、

23、C3 、 R7 、 R8 、 C4 等组成。它们实现过流检测和延时保护功能。 EXB84l 的脚 6 通过快速二极管 VD7 接至 IGBT 的集电极，显然它是通过检测电压 Uce 的高低来判断是否发生短路。 5V 电压基准部分由 r10,VZ2 和 C5 组成，既为驱动 IGBT 提供一 5V 反偏压，同时也为输入光耦合器 IS01 提供副方电源。 详细介绍 EXB841 工作原理： 1 ）正常开通过程 当控制电路使 EXB841 输入端脚 14 和脚 15 有 10mA 的电流流过时，光耦合器 IS0l 就会导通， A 点电位迅速下降至 0V ，使 V1 和 V2 截止； V2 截止使 D

24、 点电位上升至 20V ， V4 导通， V5 截止， EXB841 通过 V4 及栅极电阻 Rg 向 IGBT 提供电流使之迅速导通 ,Uc 下降至 3V 。与此同时， V1 截止使十 20V 电源通 R3 向电容 C2 充电，时间常数 r1 为 r1=R3c2=2 42us （ 2 17 ） 又使 B 点电位上升，它由零升到 13V 的时间可用下式求得 : 13 20 （ 1 e(-t/r1) （ 2 18 ） t=2 54uS （ 2 19 ） 然而由于 IGBT 约 lus 后已导通， Uce 下降至 3V ，从而将 EXB841 脚 6 电位箝制在 8V 左右，因此 B 点和 C 点

25、电位不会充到 13V ，而是充到 8V 左右，这个过程时间为 1 24us ；又稳压管 VZ1 的稳压值为 13V ， IGBT 正常开通时不会被击穿， V3 不通， E 点电位仍为 20V 左右，二极管 VD6 截止，不影响 V4 和 V5 的正常工作。 2 ）正常关断过程控制电路使 EXB841 输入端脚 14 和脚 15 无电流流过，光耦合器 IS01 不通， A 点电位上升使 V1 和 V2 导通； V2 导通使 V4 截止， V5 导通， IGBT 栅极电荷通过 V5 迅速放电，使 EXB841 的脚 3 电位迅速下降至 0V （相对于的 EXB841 脚 1 低 5V ），使 IG

26、BT 可靠关断， Uce 迅速上升，使 EXB841 的脚 6 “悬空”。与此同时 V1 导通， C2 通过 V1 更快放电，将 B 点和 C 点电位箝在 0V ，使 VZI 仍不通，后继电路不会动作 ,IGBT 正常关断。 3 ）保护动作 设 IGBT 已正常导通，则 V1 和 V2 截止， V4 导通， V5 截止， B 点和 C 点电位稳定在 8V 左右， VZ1 不被击穿， V3 不导通， E 点电位保持为 20V ，二极管 VD6 截止。若此时发生短路， IGBT 承受大电流而退饱和， Uce 上升很多，二极管 VD7 截止，则 EXB841 的脚 6 “悬空”， B 点和 C 点电

27、位开始由 8V 上升；当上升至 13V 时， VZ1 被击穿， V3 导通， C4 通过 R7 和 V3 放电， E 点电位逐步下降，二极管 VD6 导通时 D 点电位也逐步下降，从而使 EXB841 的脚 3 电位也逐步下降，缓慢关断 IGBT 。 B 点和 C 点电位由 8V 上升到 13V 的时间可用下式求得 13 20 （ 1-e(-t/r1)-8e(-t/r1) （ 2 20 ） t l 3uS(2 21 ） C3 与 R7 组成的放电时间常数为 T2 C3R7 4 84uS （ 2 22 ） E 点由 20V 下降到 3 6V 的时间可用下式求得 3 6=20e(-t/r2) （ 2 23 ） t 8 3uS （ 2 24 ） 此时慢关断过程结束， IGBT 栅极上所受偏压为 0oV （设 V3 管压降为 0 3V ， V6 和 V5 的压降为 O 7V ）。 这种状态一直持续到控制信号使光电耦合器