课件：绝缘栅双极晶体管.ppt

6.4 绝缘栅双极晶体管,两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT) GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。,1-1,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。,6.4 绝缘栅双极晶体管,一、IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,1-2,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,6.4 绝缘栅双极晶体管,图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。,1-3,图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,IGBT的结构,6.4 绝缘栅双极晶体管,驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RoN减小，使通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,1-4,IGBT的原理,6.4 绝缘栅双极晶体管,二、IGBT的基本特性 1、 IGBT的静态特性,1-5,a,),b,),图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th),输出特性 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。,（1）转移特性 IC与UGE间的关系,转移特性曲线,UGE低于开启电压时，IGBT处于关闭状态； UGE大于开启电压时，IGBT开启， IC与UGE基本呈线性关系； 通常IGBT的开启电压在3-5.5V之间。,1-6,（2）输出特性UGE为参变量时，IC与UCE间的关系,输出特性曲线,当UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态，无集电极电流。,分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 当0UGE(th)时，导电沟道形成，IGBT正向导通，UGE越大， IC越大，作为开关状态工作的IGBT应避开此区，否则功耗会很大； IGBT作为开关状态工作，在饱和区和正向阻断区之间来回转换。,1-7,6.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。,1-8,图1-24 IGBT的开关过程,2、 IGBT的动态特性,2.4 绝缘栅双极晶体管,关断延迟时间td(off） 电流下降时间tf 关断时间toff 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。 tfi1IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。 tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。,1-9,图1-24 IGBT的开关过程,IGBT的关断过程,6.4 绝缘栅双极晶体管,三、IGBT的主要参数,1-10,正常工作温度下允许的最大功耗 。,(3) 最大集电极功耗PCM,包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。,(2) 最大集电极电流,由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。,(1) 最大集射极间电压UCES,6.4 绝缘栅双极晶体管,三、IGBT的主要参数,1-11,通过额定电流时的集射极电压。通常在1.5-3V间。,(6) 集射极饱和电压UCEO,栅极的电压控制信号额定值，只有栅射极电压小于 额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏 。,(5) 栅射极额定电压UGES,使IGBT导通所需的最小栅射极电压，通常在3-5.5V。,(4) 栅射极开启电压UGE(th）,2019/4/19,12,可编辑,6.4 绝缘栅双极晶体管,四、IGBT的特性和参数特点可以总结如下：,1-13,开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比电力MOSFET低。 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。 与MOSFET和GTR相比，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 。,6.5 电力电子器件的失效判断与替换,一、电力电子器件损坏的原因有：,1-14,防雷、过电压保护措施不力。 运行条件恶劣。长期处于较高的电压下，机组设备处于较大的振动运行状态，或在较高的环境温度条件下工作，促使器件加速老化，并被过早击穿损坏。 运行管理欠佳。对外界负荷的变化不了解，或当外界发生了甩负荷故障，运行人员没有及时进行相应的操作处理，产生过电压而击穿损坏。 电力电子器件规格型号不符。 电力电子器件安全余量偏小。,6.5 电力电子器件的失效判断与替换,二、电力二极管的故障分析和极性判断,1-15,指针式万用表 R 100或R 1k 若两次测得的电阻值相差很大，说明二极管基本上是好的。 电阻小的那次黑笔所接为二极管的阳极； 若两次测得的电阻值都很大，接近无穷大，说明二极管断路； 若两次测得的电阻值都很小，说明二极管击穿短路。,6.5 电力电子器件的失效判断与替换,二、电力二极管的故障分析和极性判断,1-16,数字式万用表 用二极管档测量二极管（红笔接电池正极，黑笔接负极） 正常时，正向管压降为0.6V，反向为无穷大，说明二极管基本上是好的； 若两次测得的管压降几乎相等，而且测量值都很小，说明二极管二极管击穿短路； 若两次测得的值都很大，说明二极管断路。,6.5 电力电子器件的失效判断与替换,二、用数字式万用表对电力三极管的极性进行判别和故障判断,1-17,在路测量 拆下来时的三极管测量,二、用数字式万用表对电力三极管的极性进行判别和故障判断,1-18,1、在路测量 (1)NPN管的电压正常是VcVbVe，其中PN结电压是0.5V左右。三极管放大或饱和时VbVe的电压是0.5V；截止时电压接近为0。如果出现明显大于2V或VbVbVc，其中PN结电压是0.5V左右。三极管放大或饱和时VbVe，则说明三极管已损坏。,二、用数字式万用表对电力三极管的极性进行判别和故障判断,1-19,2、拆下来时的三极管测量 (1) 三极管类型和基极的判断（万用表打到二极管档） 先用红笔接触任意一只脚不动，用黑笔去接触另两只脚。如果测得两组相近且小于1的数字说明红笔接触的就是b极且为NPN型。 若找不到该脚，红黑笔换过来试。 (2) 带三极管检测的万用表可直接检测 有Hfe插孔的万用表，测得值比较大的一次，各管脚插入的位置与表上指示是一致的。 （3）判别集电极和发射极 NPN:黑笔接发射极，红笔接集电极;PNP:相反,三、用数字式万用表对晶闸管的极性进行判别和故障判断,1-20,1、晶闸管的特性分析 AK间加正向电压，同时GK间加所需的正向触发电压时，方可被触发导通，AK间呈低阻导通状态，电压降在1V左右；导通后G即使失去触发电压，只要AK间仍保持正向电压，仍处于低阻导通状态。 2、单向晶闸管的检测 3、晶闸管的好坏判断 最简单是看AK间有没有短路 好：黑接A，红接K，指针不动，短线瞬间短接AG指针向右偏转。,四、用数字式万用表对IGBT的极性进行判别和故障判断,1-21,1、判断极性 先判断G,然后判断CE。 2、判断好坏 (1)将三只引脚短路放电，避免影响检测的准确度； （2）测GEGC的正反向电阻，正常应为无穷大； （3）测CE的正向电阻（指针式10K档黑接E,红接C），电阻在3.5千欧，所测管有阻尼二极管。 如果测得三个引脚间的电阻都很小，则说明该管已击穿损坏；如果测得三个引脚间的电阻均为无穷大，说明已开路。,五、电力半导体器件的替换原则,1-22,1、尽可能选用同型号的器件，这样可以不改变原电路的引脚