（电力电子与电力传动专业论文）igbt双管模块驱动保护电路的研制与应用.pdf

摘要 本文在分析了i g b t结构、 工作特性及其对驱动保护电路要求的基础土， 应用c p l d和三菱m5 7 9 6 2 a l 专用厚膜集成电 路设计研制了一种新型的针对 于i g b t双管模块的驱动保护电路，该电路驱动能力强、功能配置灵活、 通 用性强、成本低，具有过载、短路、供电电压监视等保护功能，适用于中大 功率的 i g b t双管模块。论文还对 i g b t应用中的死区控制、信号隔离、故 障逻辑、缓冲电路以及散热计算等问题进行了详细分析，并给出了相应的设 计方案。最后结合本实验室混合有源电力滤波器 ( h a p f )的应用实践对该 电路进行了实验验证，结果令人满意。 关键词:i g b t双管模块，c p l d ,驱动，保护，h a p f abs tract i n t h i s p a p e r , t h e s t r u c t u r e a n d p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f i g b t , a s w e l l a s r e q u i r e m e n t s o f i t s g a t e d r i v i n g a n d p r o t e c t i n g c i r c u i t , i s f i r s t l y a n a l y z e d . t h e n , w i t h t h e a p p l i c a t i o n o f c p l d a n d a p p r o p r i a t e h y b r i d i c m5 7 9 6 2 a l f r o m mit s u b i s h i , a n o v e l d e s i g n a n d r e a l i z a t i o n f o r d o u b l e i g b t m o d u l e i s p r o p o s e d . wi t h a h i g h d r i v in g c a p a b i l i t y , fl e x i b l e c o n f i g u r a t i o n o f f u n c t i o n s , e a s y f o r a d a p t a t i o n a n d g o o d s u i t a b i l i t y , l o w c o s t a n d i t s c o m p r e h e n s i v e p r o t e c t i o n s y s t e m , i n c l u d in g o v e r c u r r e n t , s h o r t c i r c u i t a n d p o w e r s u p p l y v o lt a g e m o n it o r i n g , t h i s c i r c u i t c a n b e u s e d f o r d r i v i n g m e d i u m - l a r g e p o w e r d o u b l e i g b t m o d u l e s . mo r e o v e r , d e t a i l e d a n a l y s i s o n f u n c t i o n s a n d c o r r e s p o n d i n g m e t h o d s o f r e a l i z a t i o n i n a p p l y i n g i g b t , i n c l u d i n g i n t e r l o c k a n d d e a d - t im e c o n t r o l , e l e c t r i c a l i s o l a t i o n o f s i g n a l s , f a u l t p r o t e c t i o n l o g i c , s n u b b e r c i r c u i t a n d e s t i m a t i o n o f p o w e r d i s s i p a t i o n i s a l s o p r e s e n t e d . a s s o c i a t i n g t h e c u r r e n t a p p l ic a t i o n o f h y b r i d a c t i v e p o w e r f i l t e r ( h a p f ) in o u r l a b o r a t o r y , e x p e r i m e n t s a r e c o n v e y e d a n d c o r r e s p o n d in g w a v e f o r m s a r e s a t i s f a c t o r y , p r e s e n t e d a t t h e e n d o f t h e p a p e r . c h e n mi n g ( p o w e r e l e c t r o n i c s a n d e l e c t r i c d r i v e s ) d i r e c t e d b y p r o f . x i a o x i a n g n i n g k e y wo r d s : d o u b l e i g b t m o d u l e , c p l d , d r i v e , p r o t e c t , h a p f 七 o口 尸明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取 得的成果。 尽我所知， 除文中已经注明引用的内 容外， 本学位论文的 研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。 对本论文所涉及的研究_ i : 作做出贡献的其他个人和集体， 均 已在文中以明确方式标明。 特此申明。 竿名 :日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电 力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保管、 并向 有关 部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅: 学校可以 学术交流为目 的， 复制赠送和交换学 位论文;同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 i g b 丁的发展与应用 绝缘栅双极品体管 ( i n s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r - i g b t ) ，为第三代电力电 子器件，是8 0 年代初为解决金属氧化物场效应管 ( mo s f e t )的高导通压降、 难以 制 成 兼 有 高 压 和 大 电 流 特 性 和 大 功 率 晶 体 管( g t r ) 的 工 作 频 率 低 驱 动 电 路 7啼 大等不足而出现的双机理复合器件，是mo s f e t和 g t r结合的产物。它结合 厂 这 两种器件的优点，比mo s f e t减少了导通损耗，增大了导通电流，比g t r开关速 度快， 驱动功率小， 开关频率高， 而且耐压等级也显著提高。 表 1 - 1 列举出了i g b t . m o s f e t 与g t r的主要参数比较 ， 。 比 较 项 目 g t r mos f e t i gb t 驱动模式电流电压电压 马 区 动电路复杂简单 简单 驱动功率大刁 、 刁 、 输入阻抗低高 高 开关速度 慢 ( p s )快 ( n s )中 工作频率较低高 中 安全区域窄宽 宽 饱和压降低高 低 表 1 - 1 i g b t . mo s f e t与g t r的主耍参数比较 诸多的优良 特性使得 i g b t成为大中功率开关电源、逆变器、高频感应加热有 源滤波器、家用电器等需要电流变换场合的理想功率器件。特别是近几年来，变频 驱动、有源电力滤波器、轻型直流输电、u p s电源、电焊机、医疗仪器等电力电子 的应用技术风起云涌，i g b t作为主流的功率输出器件，应用日趋广泛。从2 0 世纪 9 0 年代中叶开始，i g b t国际市场年增长率均为3 5 %以上，近年来其增长趋势有增 无减2 1 。在要求快速低损耗的电力电子应用范围内，在中、低频功率控制应用中， i g b t最具独特性能。i g b t有逐步取代mo s f e t和 g t o之趋势，正成为当今电力 电子行业首选的功率开关器件之一。 经过十几年的努力， i g b t的制造技术不断改进。目前， i g b t已经突破了高频 ( 工作 频率大 于2 0 k h z ) 应用领域， 工 作频率 最高 可达到2 0 0 k h z 2 1 。 目 前生产的i g b t 最大正向阻断能力已经达到6 . 5 k v ， 电流最大达到2 . 4 k a ， 形成了系列化产品， 产品 覆盖面 非常 大， 当前 众多的电 力电 子电 路都 可以 用i g b t 实现， 如图1 - 1 所示3 14 1 i g b t的 未来发展 趋势有两个方向 2 2 5 1 : 一 是 超大功率模块， 二是 超快速。 超 大功率模块i g b t 有取代g t o之势， 将在电力系统、 高压直流输电、 机车牵引等方 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 i g b 丁的发展与应用 绝缘栅双极品体管 ( i n s u l a t e d g a t e b i p o l a r t r a n s i s t o r - i g b t ) ，为第三代电力电 子器件，是8 0 年代初为解决金属氧化物场效应管 ( mo s f e t )的高导通压降、 难以 制 成 兼 有 高 压 和 大 电 流 特 性 和 大 功 率 晶 体 管( g t r ) 的 工 作 频 率 低 驱 动 电 路 7啼 大等不足而出现的双机理复合器件，是mo s f e t和 g t r结合的产物。它结合 厂 这 两种器件的优点，比mo s f e t减少了导通损耗，增大了导通电流，比g t r开关速 度快， 驱动功率小， 开关频率高， 而且耐压等级也显著提高。 表 1 - 1 列举出了i g b t . m o s f e t 与g t r的主要参数比较 ， 。 比 较 项 目 g t r mos f e t i gb t 驱动模式电流电压电压 马 区 动电路复杂简单 简单 驱动功率大刁 、 刁 、 输入阻抗低高 高 开关速度 慢 ( p s )快 ( n s )中 工作频率较低高 中 安全区域窄宽 宽 饱和压降低高 低 表 1 - 1 i g b t . mo s f e t与g t r的主耍参数比较 诸多的优良 特性使得 i g b t成为大中功率开关电源、逆变器、高频感应加热有 源滤波器、家用电器等需要电流变换场合的理想功率器件。特别是近几年来，变频 驱动、有源电力滤波器、轻型直流输电、u p s电源、电焊机、医疗仪器等电力电子 的应用技术风起云涌，i g b t作为主流的功率输出器件，应用日趋广泛。从2 0 世纪 9 0 年代中叶开始，i g b t国际市场年增长率均为3 5 %以上，近年来其增长趋势有增 无减2 1 。在要求快速低损耗的电力电子应用范围内，在中、低频功率控制应用中， i g b t最具独特性能。i g b t有逐步取代mo s f e t和 g t o之趋势，正成为当今电力 电子行业首选的功率开关器件之一。 经过十几年的努力， i g b t的制造技术不断改进。目前， i g b t已经突破了高频 ( 工作 频率大 于2 0 k h z ) 应用领域， 工 作频率 最高 可达到2 0 0 k h z 2 1 。 目 前生产的i g b t 最大正向阻断能力已经达到6 . 5 k v ， 电流最大达到2 . 4 k a ， 形成了系列化产品， 产品 覆盖面 非常 大， 当前 众多的电 力电 子电 路都 可以 用i g b t 实现， 如图1 - 1 所示3 14 1 i g b t的 未来发展 趋势有两个方向 2 2 5 1 : 一 是 超大功率模块， 二是 超快速。 超 大功率模块i g b t 有取代g t o之势， 将在电力系统、 高压直流输电、 机车牵引等方 华北电力大学硕士学位论文 面扩大其应用领域。 超快速i g b t 将在高频开关电源等方面扩大其应用领域。 总之， 随着电力电子技术的发展，i g b t将向着超大功率、超快速、模块化、智能化方向 发展。 g tfio t i g b t i a 映 一: 干 变送领域 业、交通 ig h 恻慕砂绷撇1700 100k10k 才 李岁 了 杯欢、 信息处理领域 管一沁场分份 向户方丫八拜 丸 丫几 兮扩 事 认v凡 龚踌牛 拿 _mo s f e t 拭产姗钟凑塑 止 l7 不 1 0 0 攀燕耸事r - l i 0 0 k i m 工作频率 ( 1 1z ) 2 4 m 3 0 0 0 m 1 0 i a ) 图1 - 1 各功率半导体的应用范围 1 .2 国内外驱动保护电路的研究现状 众所周知，电力电子技术和应用装置的发展水平很大程度上依赖于电力电了器 件的发展水平， 而电力电子器件的实用性能还会依赖于电路条件和开关环境 i g b t 也不例外，驱动保护电路的设计是 i g b t应用中一个很重要的环节，也是应用设计 的难点和关键。 性能优良的驱动保护电路是保证i g b t高效、 可靠运行的必要条件。 目前，i g b t应用领域的驱动方案很多，得到国内外设计者和电力电子器件生 产公司的关注， 许多公司都设计制造了专用的i c芯片，如日 本富士、 三菱、东芝、 三社、c o n c e p t公司、s e mi k r o n公司美国i r和陕西高科等。表 1 - 2中给出了 几家公司的驱动电路，对其参数和特点等进行了 对比l s l 芯 ,l 型 号 _ 厂 家 一 驱 动 能 力 一 娇 娜 _ 一lfi.ii缈 工 作 一 频 率 最大脉 冲输击 电流 e xb8 4 1富士 4 0 0 a / 6 0 0 v或 3 0 0 a / 1 2 0 0 v单管 单路 2 0 v过流保护4 0 k hz4. 0 a m5 7 9 6 2 al三菱 4 0 0 a / 6 0 0 v或 4 0 0 a / 1 2 0 0 v单管 v c c : 1 5 - 1 8 v v e e :- 5 - - 1 5 v 过流保护4 0 k hz5 . 0 a m5 7 9 5 8 al三菱 4 0 0 a / 6 0 0 v或 2 0 0 a / 1 2 0 0 v单管 v c c : 1 5 - 1 8 v v e e :_ 5 一 1 5 v 无3 0 k hz2 . 0 a hl 4 0 2 a陕西高科 1 5 0 a / 1 2 0 0 v单管v c c : 1 5 - 1 8 v过流保护4 0 k hzzoa 华北电力大学硕士学位论文 面扩大其应用领域。 超快速i g b t 将在高频开关电源等方面扩大其应用领域。 总之， 随着电力电子技术的发展，i g b t将向着超大功率、超快速、模块化、智能化方向 发展。 g tfio t i g b t i a 映 一: 干 变送领域 业、交通 ig h 恻慕砂绷撇1700 100k10k 才 李岁 了 杯欢、 信息处理领域 管一沁场分份 向户方丫八拜 丸 丫几 兮扩 事 认v凡 龚踌牛 拿 _mo s f e t 拭产姗钟凑塑 止 l7 不 1 0 0 攀燕耸事r - l i 0 0 k i m 工作频率 ( 1 1z ) 2 4 m 3 0 0 0 m 1 0 i a ) 图1 - 1 各功率半导体的应用范围 1 .2 国内外驱动保护电路的研究现状 众所周知，电力电子技术和应用装置的发展水平很大程度上依赖于电力电了器 件的发展水平， 而电力电子器件的实用性能还会依赖于电路条件和开关环境 i g b t 也不例外，驱动保护电路的设计是 i g b t应用中一个很重要的环节，也是应用设计 的难点和关键。 性能优良的驱动保护电路是保证i g b t高效、 可靠运行的必要条件。 目前，i g b t应用领域的驱动方案很多，得到国内外设计者和电力电子器件生 产公司的关注， 许多公司都设计制造了专用的i c芯片，如日 本富士、 三菱、东芝、 三社、c o n c e p t公司、s e mi k r o n公司美国i r和陕西高科等。表 1 - 2中给出了 几家公司的驱动电路，对其参数和特点等进行了 对比l s l 芯 ,l 型 号 _ 厂 家 一 驱 动 能 力 一 娇 娜 _ 一lfi.ii缈 工 作 一 频 率 最大脉 冲输击 电流 e xb8 4 1富士 4 0 0 a / 6 0 0 v或 3 0 0 a / 1 2 0 0 v单管 单路 2 0 v过流保护4 0 k hz4. 0 a m5 7 9 6 2 al三菱 4 0 0 a / 6 0 0 v或 4 0 0 a / 1 2 0 0 v单管 v c c : 1 5 - 1 8 v v e e :- 5 - - 1 5 v 过流保护4 0 k hz5 . 0 a m5 7 9 5 8 al三菱 4 0 0 a / 6 0 0 v或 2 0 0 a / 1 2 0 0 v单管 v c c : 1 5 - 1 8 v v e e :_ 5 一 1 5 v 无3 0 k hz2 . 0 a hl 4 0 2 a陕西高科 1 5 0 a / 1 2 0 0 v单管v c c : 1 5 - 1 8 v过流保护4 0 k hzzoa 华北电力大学硕士学位论文 ( b) v l e : 一 1 0 - - 1 2 v gh- 0 3 9三社 3 0 0 a / 6 0 0 v单管单路 2 3 - 2 8 v过流保护2 0 k hz4 . 0 a skh1 2 2西 门康 2 0 0 a / 1 2 0 0 v半桥单路 1 5 v 过流保护 电源监视 1 0 0 k hz3 . 3a i r2 1 1 0美国 1 r 3 0 0 a / 6 0 0 v双管单路 2 5 v电源监视5 0 0 k hz 2 . 0 a 2 s d3 1 5 a 瑞十 c onc e p t 4 0 0 a / 1 7 0 0 v双管单路 1 5 v 过流保护 电源监视 1 0 0 k hz1 5 . 0 a 表 i - 2 儿家公司的驱动芯片对比 虽然各种驱动芯片各有特点 但往往是针对本公司的产品，以维护各自 的知识 产权，所以通用性差，在驱动保护功能配置等方面也有不尽完善的地方，而民 许多 芯片直接驱动功率小，对于大驱动功率的产品往往价格昂贵，甚至超过对应 1 g b t 的价格。 在实际应用中也还是遇到不少问题， 如许多芯片都是基于i g b t单管设计， 并没有考虑在实际应用中 ( 如逆变器)的i g b t之间的触发信号及多路驱动电源的 隔离、同一桥臂的死区控制、外部保护接口、电源监视保护等。 ， 3 论文的主要工作 针对现有驱动器的种种不足，本文以 i g b t双管模块为驱动对象，在对 i g b t 的工作特性、驱动电路和保护电路进行深入了研究和讨论的基础上，采用可编程逻 辑器件 ( p l d )和专用厚膜集成电路为主要器件，设计了一种功能完备、经济实用 的i g b t双管模块驱动保护电路， 最大可以驱动4 0 0 a / 1 2 0 0 v的双管i g b t模块。 结 合本实验室混合型有源电力滤波器 ( h a p f )的应用情况，我们对所设计的电路进 行驱动保护功能的实验测试，并取得了令人满意的效果。 1 .4 本论文使用的软硬件 近年来，可编程逻辑器件 ( p l d )以其编程灵活、电路结构简单、体积小等优 势，在逻辑控制领域的应用日 益广泛，有逐步取代传统逻辑门电路的趋势。本文在 设计中使用了流行的a l t e r a公司的e m p 7 0 6 4 s型c p l d ，在 m a x + p l u s i i 月 几 发 系统环境下完成了逻辑部分的仿真和设计; 使用两片三菱m5 7 9 6 2 a l专用厚膜电路 为主要芯片分别完成两个单管的驱动部分设计;使用快速光祸 6 n1 3 7以及高频 d c / d c模块完成信号隔离及电源部分的设计，并在流行 e d a软件 p r o t e 1 9 9 s e 环境 下制版。结合本实验室混合型有源电力滤波器的工程实际，我们在实验中选用了 e u p e c公司 1 5 0 a / 1 2 0 0 v的双管 i g b t . 华北电力大学硕士学位论文 ( b) v l e : 一 1 0 - - 1 2 v gh- 0 3 9三社 3 0 0 a / 6 0 0 v单管单路 2 3 - 2 8 v过流保护2 0 k hz4 . 0 a skh1 2 2西 门康 2 0 0 a / 1 2 0 0 v半桥单路 1 5 v 过流保护 电源监视 1 0 0 k hz3 . 3a i r2 1 1 0美国 1 r 3 0 0 a / 6 0 0 v双管单路 2 5 v电源监视5 0 0 k hz 2 . 0 a 2 s d3 1 5 a 瑞十 c onc e p t 4 0 0 a / 1 7 0 0 v双管单路 1 5 v 过流保护 电源监视 1 0 0 k hz1 5 . 0 a 表 i - 2 儿家公司的驱动芯片对比 虽然各种驱动芯片各有特点 但往往是针对本公司的产品，以维护各自 的知识 产权，所以通用性差，在驱动保护功能配置等方面也有不尽完善的地方，而民 许多 芯片直接驱动功率小，对于大驱动功率的产品往往价格昂贵，甚至超过对应 1 g b t 的价格。 在实际应用中也还是遇到不少问题， 如许多芯片都是基于i g b t单管设计， 并没有考虑在实际应用中 ( 如逆变器)的i g b t之间的触发信号及多路驱动电源的 隔离、同一桥臂的死区控制、外部保护接口、电源监视保护等。 ， 3 论文的主要工作 针对现有驱动器的种种不足，本文以 i g b t双管模块为驱动对象，在对 i g b t 的工作特性、驱动电路和保护电路进行深入了研究和讨论的基础上，采用可编程逻 辑器件 ( p l d )和专用厚膜集成电路为主要器件，设计了一种功能完备、经济实用 的i g b t双管模块驱动保护电路， 最大可以驱动4 0 0 a / 1 2 0 0 v的双管i g b t模块。 结 合本实验室混合型有源电力滤波器 ( h a p f )的应用情况，我们对所设计的电路进 行驱动保护功能的实验测试，并取得了令人满意的效果。 1 .4 本论文使用的软硬件 近年来，可编程逻辑器件 ( p l d )以其编程灵活、电路结构简单、体积小等优 势，在逻辑控制领域的应用日 益广泛，有逐步取代传统逻辑门电路的趋势。本文在 设计中使用了流行的a l t e r a公司的e m p 7 0 6 4 s型c p l d ，在 m a x + p l u s i i 月 几 发 系统环境下完成了逻辑部分的仿真和设计; 使用两片三菱m5 7 9 6 2 a l专用厚膜电路 为主要芯片分别完成两个单管的驱动部分设计;使用快速光祸 6 n1 3 7以及高频 d c / d c模块完成信号隔离及电源部分的设计，并在流行 e d a软件 p r o t e 1 9 9 s e 环境 下制版。结合本实验室混合型有源电力滤波器的工程实际，我们在实验中选用了 e u p e c公司 1 5 0 a / 1 2 0 0 v的双管 i g b t . 华北电力大学硕上学位论文 第二章i g b 丁的结构和工作特性 只有对半导体器件本身的结构和工作特性做深入的分析， 才能设计出合理的功 率电路和驱动电路，进而才能发挥该器件的优势。本章将对常见 i g b t以及续流二 极管的结构和工作特性作深入的分析。 2 . 1 i g b 丁结构和基本功能 i g b t是在功率mo s f e t的基础上发展起来的， 两者结构十分类似， 不同之处 在于i g b t比mo s f e t多一个p + 层， 即多一个p n结， 并由此引出集电极， 这个p n 结的引入，提高了i g b t的耐压水平，并可以通过传导率调制，减小通态损耗，但 开关 频率受到了 一定的限 制; 栅极和发 射极的结 构与m o s f e t 类似。 图2 - 1 ( a ) 给出 了i g b t 的剖面结构图， 可以看出， i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区g 丁 r , 其等效电路如图 2 - 1 ( b ) 所示，图中的电阻基区内的调制电阻，由结构图可知 i g b t 是以g t r为主导元件，mo s f e t为驱动元件的达林顿结构，图示器件为n沟道的 i g b t , m o s f e t为n沟道型，g t r为p n p 型。图2 - 1 ( c ) 是n沟道型i g b t的通用 电气符号，对于 p沟道 i g b t ,图形中的箭头方向恰好相反。 j咬 rmm d 。 、 扩- 。 引 c 栩粗eit 。 州 .电极 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 - 1 i g b t的剖面结构、等效电 路及电气符号 作为压控型的器件，i g b t的开通和关断是由栅极电压来控制的。 栅极施以正 电 压 并 且 大 于 开 启 电 压曦u h f 时 ， m o s f e t 内 形 成 沟 道 ， 并 为p n p 晶 体 管 提 供 基 极 电 流，从 而 使i g b t 导 通，由 于电 导调 制效 应， 使得电 阻凡 、减小， 这样高耐 压的 i g b t也具有很小的通态压降。在栅极上施以负电压时，mo s f e t内的沟道消失， p n p晶体管的基极电流被切断，i g b t关断。 华北电力大学硕 七 学位论文 2 . 2 1 g b 下的静态特性 图2 - 2 ( a ) 给出了n沟道i g b t 的输出 特性， 第一象限为正向 运行区， 在这一区 内i g b t可以承受高截止电压和关断大的电流。 通过控制栅极的电压， i g b t可以由 正向截止区域切换到饱和区域，这两种状态之间的主动区域 ( 放大区)只是在开关 过程中被越过。 第三象限中的电流电压曲线表示 i g b t的反向特性，这个特性由i g b t本身的 性能及功率模块中的二极管特性 ( 与i g b t串联或反并联)所决定，图中还给出了 不带有混合二极管的i g b t的反向特性。 |习一 器澎:蕊vc eu g e s k ihvu ib nic es 沁 g i *h )隽e ( b ) ( 扛 ) 二扭甘的幅盯 if 一 七 ) 图2 - 2 n沟道 i g b t的输出特性和转移特性 2 . 2 . 1正向阻断状态 当 集电 极 一 发 射 极电 压v c f 为 正 ， 且 栅 极 一 发 射 极 电 压v g f 小 于 开 启电 压v g 8 (lh ) 时 ， 在i g b t 集 射 极 之间 的 残 余电 流i c e s 很小 。 随吃增 加， 蝙 略 微 增 加， 当岭 : 大于 最高 允 许的 集射极电 压呱 时， i g b t 的 p i n 结( p 十 井区 / n 一 漂移区 / n + 层) 会出 现锁定 效应， 从物理角 度上说， 这时的吃 二 对 应于i g b t结构中p n p双极式晶体管的击穿电压，进而导致 i g b t的损坏。 2 . 2 , 2导通状态 当集电极一 发射极之间的电压和电流均为正值时，i g b t为导通状态，可以进一 步划分为主动区域和饱和导通区域两部分。 华北电力大学硕士学位论文 当 栅极 一 发 射 极电 压咋 : 只 是 略 大 于 开 启 电 压呱(rh ) 时， 由 于 沟 道电 流的 饱 和 效 应， 如上图中 输出 特性的 水平线 所示， v c r 呈现一个可 观的 压降， 此时 集电 极电 流i , . 跟随v g e 的 变 化而变化， 这时的i g b t 处于放 大区 域，几 跟随珠变化的 关 系由 转移 特 性 的 斜 率s 。 来 描 述， 如 图2 - 2 ( b ) 所 示 。 9 。 二 成/ d v g , = i c /( 曦一 喻(,h ) 在放 大区 内 ，9 f . 随 着i c 和 栅 射 极 间 的 电 压 的 增 大 而 增 大， 随 着 芯 片 温 度的 增 加而减小。 在多个i g b t的并联应用中， 模块在主动区域内的稳态运行是不允许的， 而 只 能 在 开 关 过 程中 被 经 过， 这 是 因 为v g h (ih ) 随 温 度 的 上 升 而 下降 ， 因 此 单 个 芯 片 之 间的制造偏差就可能引起温升失衡。 当吸超 过 开 启电 压曦(,h ) 一 定 量 时 ， i g b t 的 输出 特 性 便 进 入图 中 的 陡 斜 部分 ， 这时i g b t的人 集电 极电 流 只是由 外部电 路的 参数 来决定， 这时 称i g b 丁 处于 饱和 区 域， 也叫 开 关处于导 通状态。 这时的i g b t 的c - e 间 残余电 压称为 饱和压降k 、 ， ， i g b t 的特 殊结 构使得 其v c c, a , 明 显低于同 类的m o s f e t 的 值。 p t ( p u n c h t h r o u g h ) 型 i g b t 的v c c sa ， 在 额定电 流区 域内 随 温 度 升高而 下降， n p t ( n o n - p u n c h t h r o u g h ) 型 i g b t 的k *随 温度 升高 而 升高 。 2 . 2 . 3反向运行状态 反向 运行状态对应于图2 - 2 ( a ) 中的第三象限， 此时i g b t的 集电极端p n结处 于截止状态，i g b t不具有反向导通的能力，由于人们在芯片设计中着重追求正向 截止电压和优化集电极端口 散热，目 前的i g b t的反向耐压仅在几十伏左右， i g b t 在静态反向工作时，其输出特性由模块内部或外部反并联的续流二极管特性来决定 参见第2 . 6 节) 。 2 . 3 i g b 丁 硬开关时的开关特性6 (2 6 1 在绝大多数的应用中，i g b t作为开关使用，需要对阻感性的负载进行硬性的 开通或关断，这时的负载电流多为连续的。 在此类负荷条件下， i g b t( 带有续流二 极管)工作时的电压电流的典型曲线如图2 - 3 所示 ( 与m o s f e t对照 。 i g b t的 栅 一 射 极和 栅 一 集 极 之间 存 在 着杂 散电 容c g e 和c g c ， 在它的 射 极回 路中 还存 在着漏电 感l r ，由 于 这些 分布 参数的 影响， 使 得i g b t 的开关波形与 理想情况 下的波形相差很大，以图2 - 3 的电路为例作下列分析。 2 . 3 . 1开 通:区间0 到r , 随着栅极被加上电压， 栅极电流开始流动， 栅极上的驱动电压开始上升， 此时 影响 栅射极电 压v g e 的因素主 要是凡和c g y , 栅 极电 压上升很快， 但由 于此时凡 。 仍 然 小 于屹 。 ， : ， 因 而 在 此期间ac 没 有电 流 流 动， i g b t处于 截 止 状态。 在t、 时 刻达到 华北电力大学硕士学位论文 当 栅极 一 发 射 极电 压咋 : 只 是 略 大 于 开 启 电 压呱(rh ) 时， 由 于 沟 道电 流的 饱 和 效 应， 如上图中 输出 特性的 水平线 所示， v c r 呈现一个可 观的 压降， 此时 集电 极电 流i , . 跟随v g e 的 变 化而变化， 这时的i g b t 处于放 大区 域，几 跟随珠变化的 关 系由 转移 特 性 的 斜 率s 。 来 描 述， 如 图2 - 2 ( b ) 所 示 。 9 。 二 成/ d v g , = i c /( 曦一 喻(,h ) 在放 大区 内 ，9 f . 随 着i c 和 栅 射 极 间 的 电 压 的 增 大 而 增 大， 随 着 芯 片 温 度的 增 加而减小。 在多个i g b t的并联应用中， 模块在主动区域内的稳态运行是不允许的， 而 只 能 在 开 关 过 程中 被 经 过， 这 是 因 为v g h (ih ) 随 温 度 的 上 升 而 下降 ， 因 此 单 个 芯 片 之 间的制造偏差就可能引起温升失衡。 当吸超 过 开 启电 压曦(,h ) 一 定 量 时 ， i g b t 的 输出 特 性 便 进 入图 中 的 陡 斜 部分 ， 这时i g b t的人 集电 极电 流 只是由 外部电 路的 参数 来决定， 这时 称i g b 丁 处于 饱和 区 域， 也叫 开 关处于导 通状态。 这时的i g b t 的c - e 间 残余电 压称为 饱和压降k 、 ， ， i g b t 的特 殊结 构使得 其v c c, a , 明 显低于同 类的m o s f e t 的 值。 p t ( p u n c h t h r o u g h ) 型 i g b t 的v c c sa ， 在 额定电 流区 域内 随 温 度 升高而 下降， n p t ( n o n - p u n c h t h r o u g h ) 型 i g b t 的k *随 温度 升高 而 升高 。 2 . 2 . 3反向运行状态 反向 运行状态对应于图2 - 2 ( a ) 中的第三象限， 此时i g b t的 集电极端p n结处 于截止状态，i g b t不具有反向导通的能力，由于人们在芯片设计中着重追求正向 截止电压和优化集电极端口 散热，目 前的i g b t的反向耐压仅在几十伏左右， i g b t 在静态反向工作时，其输出特性由模块内部或外部反并联的续流二极管特性来决定 参见第2 . 6 节) 。 2 . 3 i g b 丁 硬开关时的开关特性6 (2 6 1 在绝大多数的应用中，i g b t作为开关使用，需要对阻感性的负载进行硬性的 开通或关断，这时的负载电流多为连续的。 在此类负荷条件下， i g b t( 带有续流二 极管)工作时的电压电流的典型曲线如图2 - 3 所示 ( 与m o s f e t对照 。 i g b t的 栅 一 射 极和 栅 一 集 极 之间 存 在 着杂 散电 容c g e 和c g c ， 在它的 射 极回 路中 还存 在着漏电 感l r ，由 于 这些 分布 参数的 影响， 使 得i g b t 的开关波形与 理想情况 下的波形相差很大，以图2 - 3 的电路为例作下列分析。 2 . 3 . 1开 通:区间0 到r , 随着栅极被加上电压， 栅极电流开始流动， 栅极上的驱动电压开始上升， 此时 影响 栅射极电 压v g e 的因素主 要是凡和c g y , 栅 极电 压上升很快， 但由 于此时凡 。 仍 然 小 于屹 。 ， : ， 因 而 在 此期间ac 没 有电 流 流 动， i g b t处于 截 止 状态。 在t、 时 刻达到 华j 七 电 力大学硕士学位论文 i g b t 的栅 极开 启门 槛电 乐v g e (lh ) 集电 极电 流tc 开 始上 升。 o n . . 叭 、1十 v o o v w , v c e v ,x v c r . v a s 1， g日 劝 2 . 3 . 2 开通: 从t , 开始， 图2 - 3 i g b t( 带有续流二极管) 工作时的电 压电 流的典型曲 线 区间t, 到t 2 喻超 过v g e (lh ) 1g 开 始 上 升 ， 喻略 有 下 降 。 但 随 着tg 的 增 加 ， l : 上 华北电 力大学硕士学位论文 的 感应电 压开 始增大， 从而抵消了 一部分 外加的曦， 使得v g e 的上升刹率略 有降 低。 但总 体趋势上看，ic 仍然在继续上升， 在12 时 刻到达最大值， 并由 于续流 二极管反 向 恢复时的电 流汲取作用使ic 超过稳态 值几。 2 . 3 . 3开通:区间1 , 到t3 t2 时 刻 起集射极间电 压v c e 开 始大幅下降， 这使得c g ( 开 始放电， 从而驱动电 流 被用来给c g 。 充电，v g e 电 压停止上升， 甚至略有下降， 这种c g c 弓 起的 米勒 效应直 到进入饱和区后v c e 的一下 降率明 显降 低时才消失。 同时t2 时 刻起， 续流二极管的反向 恢复 过程趋向 结 束， 开始获得反向 阻断能 力， 汲取电流逐 渐减小 到0 ， 从而ic 趋向 于 稳 态值1 , o 2 . 3 . 4开通:区间t 3 到t4 t3 时 刻 起， 米勒效应消失，ic 达到 稳 态值， 影响v g e 的因 素消失，v ;: 以 较快的 速 度 上升 到 最 大 值， i g b t 正 式 进入 饱 和区 ，曦的 值等 于曦1.qa o 2 . 3 . 5关断 在关断过程中，上述过程以相反次序出现，电荷由驱动电流引出栅极。 关断波 形如图2 - 3 所示。 在 关断初期，呱开 始下降， 达到刚 刚能 维持ic 的 水 平后， i g b t 进入放大区，v c e. 开始上升，由 于 米勒效应的 影响，c g c 的a合电 流向c g e 充电， 使 得v g : 在一 段时间内 基本保持不 变: 当v c e 上 升到最 大时， 米勒效应趋于消 失， v g e 和 ic 开 始以 栅一 射电 路固 有的阻 抗所决定的 速 度下降， 直到v g e 和ic 均降为 零， 关断过 程结束。 i g b t 在关断过程中， 集电极的电流波形分为两段， 因为mo s f e t关断后， p n p 晶体管中的存储的电荷难以迅速消除，造成集电极电流有较长的拖尾时间，这也是 常常设置负压关断的原因之一。 2 .4 ! g 日 丁擎住效应 2 . 1 . 1静态擎住效应 7 ) 集电极通态电流连续值超过规定值而产生的擎住效应为静态擎住效应。由图 2 - 1 ( a ) 结构图可以 看出，i g b t结构中寄生着p n p n四层结构，相当于体内存在一个 寄生晶体管， 如图2 - 1 ( b ) 等效电 路所示， 在n p n晶体管的 基极与发射极之间并有一 个体区 扩展电 阻r , , p 型体内 的 横向 空 穴电 流在此电 阻 上会产生一定的电 压降， 对 n p n 基极来说， 相当 于一个正向 偏置电 压。 在规定的 集电 极电 流范围内 ， 凡上的电 压不 大， n p n晶 体管不起任何 作用。 当i c 增 大到超过 额定值时， 该正向 偏置电 压可 能致使n p n晶体管开通， 进而使n p n和p n p 晶体管处于饱和状态。 于是，寄生晶 华北电 力大学硕士学位论文 的 感应电 压开 始增大， 从而抵消了 一部分 外加的曦， 使得v g e 的上升刹率略 有降 低。 但总 体趋势上看，ic 仍然在继续上升， 在12 时 刻到达最大值， 并由 于续流 二极管反 向 恢复时的电 流汲取作用使ic 超过稳态 值几。 2 . 3 . 3开通:区间1 , 到t3 t2 时 刻 起集射极间电 压v c e 开 始大幅下降， 这使得c g ( 开 始放电， 从而驱动电 流 被用来给c g 。 充电，v g e 电 压停止上升， 甚至略有下降， 这种c g c 弓 起的 米勒 效应直 到进入饱和区后v c e 的一下 降率明 显降 低时才消失。 同时t2 时 刻起， 续流二极管的反向 恢复 过程趋向 结 束， 开始获得反向 阻断能 力， 汲取电流逐 渐减小 到0 ， 从而ic 趋向 于 稳 态值1 , o 2 . 3 . 4开通:区间t 3 到t4 t3 时 刻 起， 米勒效应消失，ic 达到 稳 态值， 影响v g e 的因 素消失，v ;: 以 较快的 速 度 上升 到 最 大 值， i g b t 正 式 进入 饱 和区 ，曦的 值等 于曦1.qa o 2 . 3 . 5关断 在关断过程中，上述过程以相反次序出现，电荷由驱动电流引出栅极。 关断波 形如图2 - 3 所示。 在 关断初期，呱开 始下降， 达到刚 刚能 维持ic 的 水 平后， i g b t 进入放大区，v c e. 开始上升，由 于 米勒效应的 影响，c g c 的a合电 流向c g e 充电， 使 得v g : 在一 段时间内 基本保持不 变: 当v c e 上 升到最 大时， 米勒效应趋于消 失， v g e 和 ic 开 始以 栅一 射电 路固 有的阻 抗所决定的 速 度下降， 直到v g e 和ic 均降为 零， 关断过 程结束。 i g b t 在关断过程中， 集电极的电流波形分为两段， 因为mo s f e t关断后， p n p 晶体管中的存储的