单片机实验报告教材.docx

1、单片机实验报告教材 功率电子学 考试作品论文名称： 电力电子器件IGBT 姓 名： 专业班级： 电信11 学 号： 中南大学物理与电子学院第一章 整体概述4第二章 发展前景5第三章 结构特点6第四章 工作特性7第五章 工作原理9第六章 工业应用11第七章 结语15 【引言】 电力电子技术是以电力为对象的电子技术,它的主要任务是对电能进行控制和变换。随着微电子技术以及计算机技术的发展,不断涌现出新型的电力半导体器件,并通过发展逐步将电力电子技术划分为传统电力电子技术(以半控型电力器件为核心) 和现代电力电子技术(以全控型器件为核心)。尤其 近几年电力电子技术始终与逆变电源领域的发展密不可分,越来

2、越成为该领域中的重要组成部分,也极大地带动了逆变领域的飞速发展。 IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）是绝缘门极双极型晶体管，它是20世纪80年代末90年代初迅速发展起来的新兴复合功率开关器件，属全控型自关断器件。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，即MOSFET输入阻抗高、开关损耗小（约为GTR的1/3）、速度快（可在1050kHz频率下工作）、热稳定性好、电压驱动功率小；又有GTR控制电流能力强、通态压降低（一般为3V，与MOSFET相比，大于10倍以上）、大电流（一般载流量是MOSFET的510倍以上）等特点。适合高电压、大电流、大功率（5

3、kW以上），开关频率大于1kHz的应用场合更显优势。是目前中、高频开关器件和大功率电力电子装置中的主流器件。用于各种逆变焊接电源、开关电源和感应加热电源等电力电子设备中。随着IGBT制造技术水平的提高，特别是电流和耐压性能指标（已达到1.2kA/3.3kV）提高，使IGBT器件的应用范围将进一步扩展到更大功率控制变换场合。市场上主要有EUPEC（优派克）：BSM、FF、FZ系列；西门康：SKM、SKIIP系列；东芝：MG、MIG系列；三菱：CM、PM、RM、TM系列；富士：1MB1、2MB1、6MBP系列；仙童：SGH、TGL、FGA、SGL系列品牌。 一、整体概述目前最常用的电力电子器件是I

4、GBT（绝缘栅双极晶体管）。 IGBT是一种新型的集成复合器件，与其他电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易、不用缓冲电路和开关频率高等特点，为了达到这些高性能，采用了许多用于集成电路的工艺技术，如外延技术、离子注入、精细光刻等。要提高功率MOSFET的耐压能力，势必增加高导通电阻，从而妨碍器件在高电压、大电流范围的应用。针对这些缺陷，20世纪80年代诞生了功率IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件，20世纪90年代初进入实用化。近几年来，功率IGBT的性能提高很快，额定电流已达数百安培，耐压达1500V以上，而且还在不断提高。由于IGBT器件具有PIN二极管的正向特性，P沟功率

5、IGBT的特性不比N沟IGBT差多少，这非常有利于在应用中采取互补结构，从而扩大其在交流和数字控制技术领域中的应用。 应用在中压大功率领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT、OGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场，在大功率（1MW），低频率（1kHz）的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下,IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段中压大功率变频领域将由这4种电力电子器件构成其主流器件。 IGBT最大的优点是无论在导通状态还是短路状态都可以承受电流冲击。它的并联不成问题，由于本身的关断延迟很短，其串联也容易。尽管IGBT模块在大

6、功率应用中非常广泛，但其有限的负载循环次数使其可靠性成了问题，其主要失效机理是阴极引线焊点开路和焊点较低的疲劳强度，另外,绝缘材料的缺陷也是一个问题。 10年前，IGBT出现在世界技术舞台的时候，尽管它凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工手段二者的精华，表现出很好的综合性能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。现在，跨世纪的IGBT显示了巨大的进展，形成了一个新的器件应用平台。 目前IGBT的研究水平在不断发展，其特性是进一步降低通态压降和提高工作速度。产品已模块化，根据封装形式分为四类：（1）单独的IGBT，容量达15400A,4001200V；（2）半桥IG

7、BT，容量达1575A，5001000V； （3）全桥IGBT，容量达1832A，400500V； （4）三相IGBT，容量达15100A，4001200V。 二、 发展前景 能源时代，IGBT 兴起：能源高效、清洁利用的核心都在于各种能源形式的高效控制、高效转换，而 IGBT 作为新型功率半导体器件，其性能优越，广泛应用于轨道交通、风电与太阳能、电动汽车、家用电器等领域。 市场广阔，同时集中度很高：2010年全球 IGBT需求预计达到 30亿美元左右，而中国 IGBT 市场有望从 2009 年的 4.30 亿美元，上升到 2014 年的9.75亿美元，增长一倍以上。目前 IGBT市场为日本和

8、欧美企业所垄断，前4名企业合计占有超过 75%的市场份额。 南车投资大功率 IGBT 产业化项目：今年 5 月 25 日，南车大功率 IGBT 产业化基地启动，该项目由南车株洲所实施，总投资 14 亿元，预计 2013 年正式投产。建成后，该基地将具备年产 12 万片 8 英寸 IGBT 芯片和 100 万只大功率 IGBT器件的能力，年产值超过 20亿元。 巩固领先地位，形成业务互相促进：综合技术储备、产品积累、产业配套的三大优势，南车将在国内 IGBT 技术突围和产业化中巩固领跑地位。该项目的实施，不仅促进大功率机车、高速动车组的核心零部件国产化，同时与其风电、电动汽车、电机等产品形成互相

9、促进的作用。 意义重大：IGBT 项目体现了高速动车组作为高端装备，其对于中国制造业的推动作用，正如美国的航空航天产业是其制造业的推进器一样。这也预示着：屡创世界第一的中国轨道交通装备产业，还将孕育更多的核心技术，更多的中国制造突破的故事。中国南车的新产业，也正在从其高速动车组取得的巨大成功中汲取力量，创造更多的新的辉煌！3、 结构特点IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，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。G

10、TR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。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。左边所示为一个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（即发射极E）。P+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（即门极G）。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。而在漏区另一

11、侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），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（即集电极C）。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)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-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-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N

12、-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。 四、工作特性静态特性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

13、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

14、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。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

15、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。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，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、耐固性要求和电源的情况。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

16、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)式中：td(off)与trv之和又称为存储时间。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，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的IGBT器件的电压和电流容量

17、还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；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、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1um以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。2013年9月12日 我国自主研发的高压大功率3300V/50A IGBT（绝缘栅双极型晶体管）芯片及由此芯

18、片封装的大功率1200A/3300V IGBT模块通过专家鉴定，中国自此有了完全自主的IGBT“中国芯”。IGBT的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度高，开关损耗小。 在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。 五、工作原理方法IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS

19、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，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，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。导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(

20、图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)； 一个空穴电流(双极)。关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，

21、如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。阻断与闩锁当集电极被施加一个反向电压时， J1

22、 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N J3结受反向电压控制，此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管（如图1所示）。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引

23、起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现，只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别，降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之

24、间保持一定的比例，通常比例为1：5。 六、 工业应用 IGBT逆变电焊机 采用三相交流380V电压经三相桥式整流、滤波后供给以新型IGBT为功率开关器件的逆变器进行变频（20KC）处理后，由中频变压器降压，再经整流输出可供焊接所需的电源，通过集成电路构成的逻辑控制电路对电压、电流信号的反馈进行处理，实现整机闭环控制，采用脉宽调制PWM为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊接工艺效果。 NBC系列CO2气体保护焊机NBC-630 逆变式NBC系列CO2气体保护焊机分为普通型和数字化两种类型，包括250A、350A、500A、630A几种，用于焊接低碳钢、合金钢等。 一、 IG

25、BT焊机的特点IGBT焊机指的是使用IGBT作为逆变器开关器件的弧焊机。由于IGBT的开关频率较低，电流大，焊机使用的主变压器、滤波、储能电容、电抗器等电子器件都较场效应管焊机有很大不同，不但体积增大，各类技术参数也改变了。主要特点 采用波形控制技术，改善成形，降低飞溅；电流电压连续可调，调节范围宽；负载持续率高，可长时间连续焊接；焊接变形小，焊缝成形好；慢送丝引弧，引弧容易，成功率高； 收弧时具有消球功能； 焊接熔敷率高；软开关变换，整机效率高；无源功率因数校正技术，功率因数高；高频逆变，体积小，重量轻；数显表头，焊接参数可精确预置；适用实芯药芯焊丝；提供常规电流值、电压值匹配方案，方便操作

26、人员调节；X型机具有下降特性，兼具手弧焊、碳弧气刨功能；z型机具有下降特性，兼具手弧焊、碳弧气刨功能，且电弧稳定性强，特别适用于全位置自动焊接(此焊机需另配全自动焊送丝、行走控制系统)。 慢送丝引弧，引弧容易，成功率高； 收弧时具有消球功能； 焊接熔敷率高； 软开关变换，整机效率高。二、 IGBT焊机工作原理：半桥逆变电路工作原理如图 工作原理：tl时间：开关K1导通，K2截止，电流方向如图中，电源给主变T供电，并给电容C2充电。t2时间：开关K1、K2都截止，负截无电流通过(死区)。t3时间：开关K1截止，K2导通，电容C2向负载放电。t4时间：开关K1、K2均截止，又形成死区。如此反复在负

27、载上就得到了如图11.3的电流，实现了逆变的目的。2、IGBT焊机的工作原理 电源供给：和场效应管作逆变开关的焊机一样，焊机电源由市电供给，经整流、滤波后供给逆变器。 逆变： 由于IGBT的工作电流大，可采用半桥逆变的形式，以IGBT作为开关，其开通与关闭由驱动信号控制。 驱动信号的产生：驱动信号仍然采用处理脉宽调制器输出信号的形式。使得两路驱动信号的相位错开(有死区)，以防止两个开关管同时导通而产生过大电流损坏开关管。驱动信号的中点同样下沉一定幅度，以防干扰使开关管误导通。 保护电路：IGBT焊机也设置了过流、过压、过热保护等，有些机型也有截流，以保证焊机及人身安全，其工作原理与场效应管焊机

28、相似。逆变与整流是两个相反的概念，整流是把交流电变换为直流电的过程，而逆变则使把直流电改变为交流电的过程，采用逆变技术的弧焊电源称为逆变焊机。逆变过程需要大功率电子开关器件，采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关器件的逆变焊机成为IGBT逆变焊机。逆变焊机的工作过程如下：将三相或单相工频交流电整流，经滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT组成的逆变电路将该直流电变为几十KHZ的交流电，经主变压器降压后，再经整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流。逆变电焊机优点：由于逆变工作频率很高，所以主变压器的铁心截面积和线圈匝数大大减少，因此，逆变焊机可以在很大程度上节省金属材料，减少外形尺寸及重量，大大减少

29、电能损耗，更重要的是，逆变焊机能够在微妙级的时间内对输出电流进行调整，所以就能实现焊接过程所要求的理想控制过程，获得满意的焊接效果。 七、结语电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。电力电子器件正进入以新型器件为主体的新一代电力电子器件时代，它将基本上取代传统器件。作为电力电子技术发展的决定性因素，电力电子器件的研究开发以及关键技术的突破，必然会促进电力电子技术的迅速发展，从而促使以电力电子技术为基础的传统工业和高新技术产业的迅速发展。参考文献1 IGBT应用设计全面剖析 大比特半导体器件网 2 中国成功研制8英寸IGBT专业芯片 打破国际垄断 凤凰网 3. 电力电子器件及其应用. 机械工业出版社. 李序葆. 4. 焊接电源实用技术. 中国教育文化出版社. 常云龙. 5. 实用开关电源技术. 人民邮电出版社. 王正仕译. 6. 开关电源的原理与设计. 电子工业出版社.张占松. 7. IGBTXX百科