2kVA高频逆变电源设计毕业设计论文正文.doc

毕 业 设 计 题 目： 2kva高频逆变电源设计 系： 电气与信息工程系 专业：电气工程及其自动化 班级： 学号： 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 年 月 日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 2kva高频逆变电源设计 姓名 系 电气系 专业_电气工程及其自动化 班级 学号 指导老师 职称 教研室主任 一、 基本任务及要求： 主要设计内容如下： a 1、理解逆变电源的工作原理，确定系统主电路 ： 包括主电路结构的选择，逆变功率器件的选择 ，参数计算 2、确定系统驱动电路 3、设计系统的控制电路 （包括保护电路、触发电路等） 4、提交毕业设计论文和图纸 二、 进度安排及完成时间1、2月20日至3月17日：查阅资料；写开题报告;确定总体方案。 2、3月18日至3月30日：毕业实习、撰写实习报告。 a3、3月31日至4月16日：确定系统主电路 a4月17日至4月27日：确定系统驱动电路 5、4月28日至6月7日：设计系统的控制电路 a6、6月8日至6月14日撰写毕业设计论文。 a7、6月15日至6月17日：指导老师评阅、电子文档上传ftp。 a8、6月17日至6月20日：毕业设计答辩。 a诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日 湖南工程学院毕业设计论文 目 录摘 要abstract第1章 绪 论11.1逆变电源系统结构及控制技术的发展11.2本文的研究意义及主要研究内容2第2章 igbt特性及应用要求42.1 igbt的结构特性42.2 igbt的工作原理和工作特性62.3 igbt的擎住效应82.3.1擎住效应82.3.2安全工作区92.4 igbt的驱动与保护技术102.5集成化igbt专用驱动器exb841132.6. 注意事项及exb841典型应用电路15第3章 高频逆变电源的主电路173.1系统的构成及工作原理173.1.1主电路的设计参数173.1.2系统构成图和主电路图173.1.3 工作原理183.2 系统主电路的参数设计183.2.1 斩波器的设计183.2.2 逆变电路的工作原理21第4章 高频逆变电源的控制电路224.1总体设计框图及原理224.1.1 总体设计框图224.1.2 工作原理:224.2 驱动电路224.2.1 驱动电路图及工作原理:224.2.2. 参数计算及选择234.3逆变电路244.3.1 控制系统原理框图及基本思想244.3.2 单相全桥逆变电路控制图及参数计算244.4 斩波电路264.4.1 控制系统原理框图及基本思想264.4.2 斩波控制电路图及参数选择264.5 pi调节器的设计294.5.1 基本原理294.5.2参数选择及计算30第5章 保护电路315.1、igbt过压的原因及抑制315.1.1 工作原理315.1.2 缓冲器回路的设计32 5.2 igbt的过流保护325.2.1 igbt过流保护的必要性325.2.2 造成短路的原因335.2.3设计短路保护电路的几点要求34结束语36参考文献37致谢38 2kva高频逆变电源设计 2kva高频逆变电源设计摘要：本文在分析了igbt(绝缘栅双极晶体管)特性的基础上，设计了一台容量为2kva、频率为20khz的高频逆变电源。给出了直流斩波电路及全桥逆变电路的工作原理，此高频逆变电源可将75130v的蓄电池直流电压逆变为110v, 20khz的交流电压。对高频逆变电源的控制主要分两部分:逆变控制和斩波控制。斩波控制可将75-130v波动的蓄电池直流电压变成70v的直流电压。逆变控制可将此直流电压逆变为70v, 20khz的交流电压，最后经变压器得到110v, 20khz的交流电压。驱动电路的设计使得该系统的应用更加易行。设计中说明了各元件参数的计算和选择方法，提出了对igbt的短路保护方案。关键词: igbt; 逆变电源; 斩波器; 短路 designing of 2kva high frequency inverter powerabstract：this paper has designed a inverter power supply of volume 2kva, working frequency 20khz, based on that has analyzed the characteristic of igbt (insulated gate bipolar transistor). it was provided the working theory of dc voltage circuit and bridge type invert circuit. the high frequency inverter power can invert 75-130 volt vibrating dc voltage which comes from battery charge into 110 volt, 20khz ac voltage.the control of high frequency inverter power consists of two parts: chopper control and inverter control. chopper control can change 75-130 volt vibrating dc voltage into 70 volt dc voltage and inverter control can invert the dc voltage into 70 volt, 20khz ac voltage, at last, from transformer we can get 110 volt, 20khz ac voltage. the drive circuit is so convenient and easy to use. every component in the system is designed and chosen. this paper presents the way of shot circuit protection.key words: igbt; inverter power; chopper; short circuit50第1章 绪 论逆变电源运用先进的功率电子器件和高频逆变技术，使传统的工频整流电源的材料减少80%，节能20%，动态反映速度提高2一3个数量级，并向着高频化、轻量化、模块化、智能化和大容量化方向发展。400hz中频逆变电源供电系统作为世界各国广泛应用于飞机、舰船、雷达、通信、导弹、车辆的标准供电系统，一般为高、精、尖的电子设备提供工作电源。1.1逆变电源系统结构及控制技术的发展 逆变电源中实现电能变换的关键部件是电力电子开关器件，其特性对变流电路的性能起着至关重要的作用。只有具备高性能的开关器件，才能通过研究与之相适应的电路拓扑结构和开关控制方式，构造出性能优良的变流装置。因此，从某种意义说，电力开关器件的发展决定着电力电子技术的发展。1.1.1恒频、恒压逆变电源结构形式的演变1.以快速晶闸管技术设计的逆变电源结构 早期的逆变电源，无论是交一交逆变电源还是交一直一交逆变电源，其中的逆变桥功率元件主要由快速晶闸管组成，当负载变化时，通过调节整流管导通角的大小，改变直流环电压，最终实现逆变电源的恒频、恒压输出。这种电源结构有两个明显的缺点:一是关断晶闸管必须另外加装电感、电容或辅助开关器件组成的强迫换流电路，因而电路的控制机构复杂，并使得整机体积重量加大，效率降低;二是这种电路主要立足于分离元件控制，工作频率的提高也受到限制。现在，这种电源结构己经逐渐被其它新型的电源结构所替代。 2.以igbt设计的逆变电源结构侧 随着以igbt为典型代表的高性能电力电子器件的发展，与之相适应的逆 变电源结构及控制技术也应运而生。脉宽调制即（pwm控制方法）具有在一个功率级内同时实现调频、调压以及调节速度快等优点，因而在逆变电源控制中得以广泛应用，这种控制电路中，运用pwm技术，实现逆变电源的恒频、恒压输出。pwm控制技术虽然有开关频率高造成开关损耗大的缺点，但这一缺点由于功率开关器件性能的不断提高能够得以逐渐克服。3.有源钳位逆变电源结构3 软开关控制技术的研究，不但解决了硬开关工作过程中存在的开通和关断时的能量损耗问题，而且也使得逆变电源的拓扑结构发生了重大变化。一种由场控晶闸管组成的有源钳位逆变电源结构。电路中，利用谐振元件lr、cr以及谐振控制开关sr的协同工作，在逆变器输入的直流电压电路中产生谐振，从而把输入的直流电压转化为一系列高频脉冲电压波供给逆变桥，最终实现逆变桥所有器件的zvs开关工作。这种电源结构形式的突出优点是器件开关损耗低、电源能量转换效率高，是当前逆变电源领域的热点 1.12逆变电源pwm控制技术的发展1.传统的pwm控制技术 pwm脉冲，可通过多种方法，产生，用正弦参考波和三角形载波比较产生pwm制和双极性调制。单极性调制使用单极性三角波和参考波比较产生，而双极性调制波形是通过双极性三角波和参考波比较产生。图1一4是单极性调制波形，图1一5是双极性调制波形。 图1一5双极性调制的spwm波 参考波除用正弦波外，还可以采用矩形波、梯形波等，载波信号也可用锯齿波。不同载波和参考波组合时输出波形的特点总结如下: 1.载波为三角波或锯齿波，参考波为正弦波时，不会出现相对于参考波频 率的奇次倍谐波。 2.载波为三角波或锯齿波时，基波的振幅和调制度成正比。 3.当载波为锯齿波时，有ws士2wo，2ws，等谐波，。ws为载波角频率。 而载波为三角波时这些谐波不存在。 4.三相pwm时，三相共用一相载波与三相分别有自己对应的载波所输出的谐波不同。与单相载波比较，三相载波时，虽然ws士2wo，2ws，没有了，但2ws分量却增加了。 5.三相pwm时，利用线电压进行控制可以提高直流电源的利用率，并且减小开关频率。 6.载波和参考波的频率对pwm性能也起着至关重要的作用。若载波与参考波的相位不同步，则相邻参考波周期内的脉冲将是不同的。当载波频率大大小于参考波频率时，这种不同步造成的影响可以忽略;当两者频率接近时，此时应该用锁相电路，使参考波与载波之间有固定的相位关系来克服频率跳动。2.新型逆变电源控制技术 传统的pwm技术重点研究如何通过恰当设计开关模式来实现逆变电源输出频谱的优化，并没有考虑信号传输过程中开关点的变化，而且通常只能通过反馈控制来调节输出电压的有效值或平均值。 在闭环调节脉宽调制的逆变电源系统中，要求能在瞬时或周期性的负载变动下，输出低谐波含量的波形:最有效地改善输出波形及其动态性能的方案是根据输出波形的变化情况来对1邓加开关点加以调整，从而抑制开关死区和负载谐波电流对输出电压的影响。近年来，主要有以下几种方案来研究: l)电流控制两态调制技术 2)无差拍控制法 3)自适应控制法 4)实时消除谐波控制法 电流控制两态调制技术即cctsm(currcnt controlled two statemodulation)控制技术，该方法是让输出端的电压、电流跟踪给定参考电压、电流，最终输出误差信号去控制开关器件，使输出电压、电流在给定值的附近变化，与给定值的误差取决于滞环比较器的滞环宽度。电流控制两态调制技术具有以下优点: 1)电流控制两态调制技术的实现电路简单，而且性能很好。 2)基于这种技术控制的电源系统具有很好的稳定性。由于采用了两个反馈环:电流内环、电压外环，使得调制系统对电路参数的敏感性大大降低，鲁棒性明显提高;而且，由于内环的高度稳定性，及电 压环的高增益，系统的动态性能也得到了提高。 3)采用这种系统的逆变器可以很好地并联运行。只需要简单地将其中 一个误差放大器的输出作其它并联的受控电流放大器的输入，电流内环就能保证各并联装置平均分配工作电流。 4)这种系统具有内在的限流保护能力。由于功率开关上的电流被直接反 馈回去调节功率开关的状态，并且由于电流内环的快速响应能力，使 得功率开关上的电流完全受控于电流内环的给定值，而这个给定值由 限幅放大器输出，因此流过功率开关的最大电流正比于限幅放大器的 限定值，可以使功率开关在系统过载甚至短路时得到保护，可靠性大 大提高。 无差拍控制方法是、一种基于微机实现的pwm方案。其控制的基本思想是:将输出正弦参考波等间隔地划分为若干个取样周期，根据电路在每一取样周期的起始值，用电路理论计算出关于取样周期中心对称的方一波脉冲作用下，负载输出在取样周期末尾时的值。这个输出值的大小，与方波脉冲的极性与宽度有关，适当控制力一波脉冲的极性与宽度，就能使负载上的输出在取样周期的末后与输出参考波形相重合。不断调整每一取样周期内力一波脉冲的极性与宽度，就能在负载上获得谐波失真小的输出。 无差拍控制方法具有以下优点: l)快速消除系统误差。它能在负载发生突变时实时地修正取样周期内方波脉冲的宽度，以期在取样周期的末尾尽可能地接近输出波形。由此可见，这种方法调节时间仅为一个取样周期，对误差消除动作非常快。 2)由于无差拍控制方程中包含有直流电源电压e的作用，这为消除直流电源弯化给逆变器输出造成的影响提供了可能性。 自适应控制技术是指具有适应能力的控制器，它适用于系统数学模型未知，或者运行过程中会发生变化的情况。在具体工作中，控制器通过连续地或周期地对被控对象进行在线辨识，然后根据所获得的信息，将当前的系统性能与期望的或者最优的性能相比较，判断决定所需的控制器参数或所需的控制信号，最后通过修正装置实现这项决策，从而使系统趋向所期望的性能。 自适应控制具有以下优点: l)自适应控制能有效地消除由于周期性的未知的系统特性参数变化而对 系统输出造成的影响。 2)自适应校正控制具有较快的误差收敛速度，而且能够保证系统在人的 负载扰动下的稳定性c 3)自适应控制在设计时不必知道被控系统的数学模型，而只需要在应用中用实时辨识的模型代林，这使得这种控制方案尤其适用那些系统模型未知或者运行过程中会发生变化的情况。 自适应控制具有以下优点: 实时消谐pwm控制是一种经过计算的控制策略，其基本方法是:通过pwm控制的傅立叶级数分析，得出傅立叶级数展开式，以脉冲相位角为未知数，令某此特定的谐波为零，便得到一个非线性方程组，该方程组即为消谐pwm模型。按模型求解的结果进行控制，则输出不含这些特定的低次谐波。 实时消谐策略，只需要较少的开关脉冲数即可完全消除容量较大的低阶高次谐波，取得很好地滤波效果，同时具有开关频率低、开关损耗小、电压利用率高、滤波容量小等许多优点。和其它1拟从控制技术相比，一方面能够克服高频p叫技术为消除低次谐波而导致开关频率高的缺点;另一方面能克服大功率逆变电源中运用的波形重构技术为降低谐波含量而导致主电路和控制电路复杂的缺点。 但是，上述控制方案也有一此不足之处，主要表现在:电流控制两态调制技术，电路的开关频率较高，且随精度要求的提高而提高，而且开关频率随其跟随的输出幅值变化而变化，谐波成分随机分布，故不利于在大功率逆变器中应用。无差拍控制方法是基于电路计算的一种方法，因而对电路中元器件参数的精度要求很高，故不适于应用在负载经常变动的场合。自适应控制由于是一种非线性控制方案，其反馈控制的设计比较复杂，系统模型及稳定性分析也非常困难。实时消谐控制技术由于要求实时求解消谐模型，因而对控制器的运算速度要求极高，目前还未有实际应用。 七十年代以来，飞速发展的集成电路微细加工技术被引入到电力半导体器件制造中来，是使之同高电压、大电流的设计制造技术相结合，跨入了功率集成的层次，从而使以晶闸管应用为代表的低频电力电子技术发展到高频电力电子技术，成为举世瞩目的一种节能省财的高技术。可以说，70年代电力电子器件的主要标准是大容量，即电流*电压。80年代电力电子器件发展的主要目标是高频化，评价期的标准是功率*频率。到90年代电力电子器件发展的主要标准则是高性能，即大容量、高频率、易驱动、低损耗。因此，评价器件的主要标准是容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率。12作为在国际上已取得广泛应用电力电子期的前期产品gto、gtr、mosfet正向着产品多样化、结构模块化、复合化，特性参数高电压、大电流等特点发展，适用于大容量设备，但由于其电流增益太低，所需驱动功率也较大，驱动复杂，应用受到一定局限。gtr器件已模块化，在中小容量装置中得到推广，但其驱动功率也较大，开关速度慢，影响了逆变器的工作频率与输出波形；mosfet器件开关速度快，驱动功率小，但器件功率等级低，导通压降大，限制了逆变器的容量。随着半导体技术的发展，出现了各种新型的功率电子元件。绝缘栅双集型晶体管igbt（insulated gate bipolar transistor）便是在gtr和mosfet之间取其长，避其短而出现的新器件。它实际上是用mosfet驱动双集型晶体管，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。即高电压、大电流、开关速度快、电压驱动，驱动功率小，可采用低成本的集成驱动电路控制，具有安全工作区宽，较高的耐短路电流的能力，是一种理想的新型电力电子器件。由于igbt的特点，其应用领域迅速扩大。所有这些表明，对于需要高中压大电流密度并且开关频率在20至50khz的应用领域来说，igbt是一种很好的选用器件。电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能控制、转换和传输的学科，它由电力电子器件、交流电路和控制电路三部分组成，它涉及电力、电子、控制三大电气工程领域，又与现代控制理论、材料科学、电机工程学、计算机科学等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。各种高频化全控型器件的不断问世和迅猛发展使得电力电子变流电路及其控制系统不断革新。如，各种脉宽调制（pwm）电路、零电压零电流开关谐振电路以及高频斩波电路等已成为现代电力电子技术的重要组成部分。这些新型电路的主要作用是使直流逆变成各种频率的交流。电力电子技术已由当年的整流时代进入逆变时代。逆变电源是由电力电子器件、变流电路和驱动保护电路三部分组成。电力电子器件是逆变电源的功率器件，是面向负载的一端；驱动保护电路是微电子器件，是面向电子控制的一端；而变流电路则是把两者结合在一起进行协调工作的部分。逆变电源一般分为两种：一种为恒压恒频电路，用于ups及特种用途等电源装置；另一种为调压调频电路，用于交流电机调速系统。调压调频作为逆变器的一个应用领域有了较大的发展，在一些发达国家，已形成了较完整的电力变频产业体系。目前，逆变电源正朝向小型化、低噪声、多功能、智能化、多用途和高可靠性发展。1.2高频电力电子技术的理论基础许多国家把50hz或60hz规定为标准工业频率，这是根据发电机的机械强度来确定的。对于一切传统的电磁转换电气设备来说，如电动机、电抗器、变压器等，都要根据这一标准频率进行设计。随着电力半导体器件的发展和逆变技术的推广使用，以及新型高频铁磁材料的发展，人们正在提高这个工作频率的范围，供电频率的提高，以为着体积、重量的减小345。电磁感应原理指出，感应电势e正比于磁链的变化率：其中，是线圈匝数，是磁通。而，s是磁导体的截面积，b是磁通密度。若b=，即b依正弦变化时（bm是峰值磁通密度）代入上式，则有e=-wsbm那么， 峰值电压vm=wsbm但是， 于是v=4.44wsbmf由此可见，对于确定的磁性材料，磁通密度bm-选定的，与磁性材料性能相关的常数，当电压v取为常数时，可见ws之积同供电频率f成反比，当频率f升高，将带来ws的减小，w减小意味着体积的减小，s意味着铁心重量减小。一般说来，电气设备的体积和重量随着供电频率的平方根成反比地减小，现代电力电子技术能把频率升到20khz以上，这就迈过了音频（6到12khz）和超声频（12到16khz）波段，消除了运行中的噪声和给操作人员带来的烦恼。按20khz设计的电气设备，其体积、重量只有50hz同容量设备的二十分之一，这就是高频电力电子设备会产生很高效益的理论来源。在高频下，变压器的重量、体积可以几十倍地缩小，再在高频下整流，滤波器大为减轻，纹波也大幅度的减小了。总之，采用电力电子新技术实现功率变频，使电气产品小型化、节能化、智能化。它所带来的效益已在科研、军事、国民经济中得到广泛的证实。1.3 本课题的提出当今，交流传动机车已遍及世界各大洲，德国、瑞士等国已经停止直流机车的生产。而目前在我国的铁路上，牵引机车以直流传动的内燃机车为主，其次是直流传动电力机车，还有少量的蒸汽机车。这与国际上的先进水平相比有着巨大的差距，为了追赶先进，缩小差距，铁道部制定的未来发展科技政策是：大力发展电力机车，合理发展内燃机车，特别要发展交流传动机车。这是因为交流传动相比直流传动有很大的技术经济方面的优势，其效率约高8%，而且，维修费用大约是直流传动的35%。我国是一个能源相对缺乏的过家，发展交流传动机车对缓解能源紧张，提高经济效益很有好处。因此，发展交流传动机车成为科研攻关的重点，本课题就是在这样的背景下提出的。第2章 igbt特性及应用要求2.1 igbt的结构特性igbt是强电流、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）。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)； 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，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。 反向阻断当集电极被施加一个反向电压时， j1 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。正向阻断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。闩锁igbt在集电极与发射极之间有一个寄生pnpn晶闸管。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：(1) 当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。(2) 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：(3) 防止npn部分接通，分别改变布局和掺杂级别。(4) 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间保持一定的比例，通常比例为1：5。正向导通特性在通态中，igbt可以按照“第一近似”和功率mosfet驱动的pnp晶体管建模。ic是vce的一个函数（静态特性），假如阴极和阳极之间的压降不超过0.7v，即使栅信号让mosfet沟道形成，集电极电流ic也无法流通。当沟道上的电压大于vge -vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于igbt结构中含有一个双极mosfet和一个功率mosfet，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率mosfet的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。本图描述了vce(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某一电流率的vce(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候，用一个npt进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的pt器件相比，使用npt会造成压降增加。2.2 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、放大区和击穿特性三部分。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2.1所示。图2.1 igbt开通时的电流、电压波形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 2.2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。 图2.2 igbt关断时的电流、电压波形2.3 igbt的擎住效应2.3.1擎住效应 在分析擎住效应之前，我们先回顾一下 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 一区注入大量电子、空穴对， ic 不会立刻为零，而有一个拖尾时间。图2.3 具有寄生晶体管的igbt等效电路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 .3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 idm 。，当 id idm 时便会产生擎住效应。 在 igbt 关断的动态过程中，假若 dudsdt 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。 2.3.2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2.4所示。 图2.4 igbt的安全工作区a)igbt的正向偏置 b)igbt的反向偏置igbt 的反向偏置安全工作区（rbsoa）如图 2.4b 所示，它随 igbt 关断时的dudsdt而改变，duds dt 越高， rbsoa 越窄。2.4 igbt的驱动与保护技术因为igbt的输入特性与mosfet的输入特性非常相似，输入阻抗均呈容性，都属电压驱动，都具有一定的开启电压，因而两者的驱动原理相同。在驱动igbt时，igbt的静态和动态特性与栅极驱动密切相关，栅极的正偏压十uge,负偏压一uge和栅极电阻rg的大小，对igbt的通态电压，开关时间，开关损耗，承受短路能力以及duds/dt等参数都有不同程度的影响，下面分别讨论驱动条件对各种特性参数的影响情况:： 图2.5 正偏置电压uge（on）与uce和eon的关系正偏置电压 uge 增加，通态电压下降，开通能耗 eon 也下降，分别如图 2.5a和b 所示。由图中还可看出，若+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。负偏置电压 uge增高时漏极电流明显下降，为了igbt的可靠工作，通常在关断时加一负偏压，一般为一v5左右。 图2.6 uge与集电极浪涌电流和关断能耗eoff的关系a)-uge与集电极浪涌电流关系 b)-uge与关断能耗eoff的关系 门极电阻 rg 增加，将使 igbt 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。为了改善栅极控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减小集电极电流上升率，需要在栅极回路中串联电阻rg。栅极电阻rg的取值要适当，从减小电流上升率、防止器件损坏方面考虑，凡选得大一些好，但rg增大会使igbt的开关时间增加，进而使开关损耗增加，因此，应根据igbt的电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的rg阻值。一般应选择在十几欧至几百欧之间。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。 (2)igbt的保护 由于igbt与mosfet一样具有极高的输入阻抗，容易造成静电击穿，故在存放和测试时应采取防静电措施。将igbt用于电力变换时，为了保证安全运行，防止异常现象造成器件损坏，必须采取完备的保护措施。常用的保护措施有: 通过检出的过电流信号切断栅极信号，实现过电流保护; 利用缓冲电路抑制过电压，并限制过高的du/dt; 利用温度传感器检测igbt的外壳温度，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。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2.6 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。 对驱动电路的要求可归纳如下 (1) 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，最好自身带有对 igbt 的保护功能，以增强抗干扰能力。2.5集成化igbt专用驱动器exb841 现在，大电流高电压的