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1 现代电力电子器件 第四章绝缘栅极晶体管IGBT 2 3 本章内容IGBT的结构 原理 特性 参数IGBT的驱动条件 分立驱动电路IGBT的集成驱动电路IGBT的过电流 过电压保护 4 4 l 原理与特性4 1 1 概述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 绝缘栅双极晶体管 Insulated gateBipolarTransistor IGBT 两类器件取长补短结合而成的复合器件 Bi MOS器件 GTR和MOSFET复合 结合二者的优点 具有好的特性 IGBT优点 5 6 发展简史 1983年 美国GE公司和RCA公司研制成功 第一代IGBT 1986年投入市场 特点 低损耗 通态压降高 3V 下降时间0 5us 耐压500 600V 电流25A 容量小 有擎住现象 速度低 第二代IGBT 1989投产 高速开关型和低压降型 2V左右 速度 容量均提高 400A 500 1400V 20KHz 抑制擎住现像 第三代IGBT 1995左右投产 引入细微化工艺改善综合特性 在第二代基础上性能进一步提高 第四代IGBT 采用沟槽技术以降低饱和压降 智能化集成IGBT IPM 内置IGBT 驱动电路 过流过热过压保护 PWM电路等 取代了中功率GTR和一部分MOSFET的市场 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 7 IGBT分类 1 按电压等级划分300 600 900 1200 1700 3300 6500V 等 2 按芯片技术划分 IGBT几种常见类型 8 穿通型 非穿通型 场终止型 9 3 按栅结构划分 10 平面栅 planar 优点 承受短路能力较高 栅极电容较小 约为沟槽栅器件的三分之一 沟槽栅 Trench 优点 单元面积较小 电流密度较大 通态损耗降低约30 击穿电压更高 11 4 按封装划分 1 单管分立器件 TO 220 TO 247 TO MAX等 2 模块 12 3 功率集成 13 IPM IntelligentPowerModule IGBT的生产厂家 IGBT模块 主要有以下几个厂家 欧美的有 IR EUPEC DYNEX ABB SEMIKRON APT等 日本的有 富士 三菱 东芝 日立 INTER等 IGBT芯片 主要有以下几个公司 Infineon ABB APT 富士 三菱等 IGBT模块的特性主要是由IGBT芯片决定的 14 中国首件自主高压大功率IGBT芯片通过鉴定 15 2013年9月12日 中国北车集团在陕西西安对外发布了高压大功率IGBT芯片及模块 并通过了专家鉴定 中国自此有了完全自主的IGBT 中国芯 IGBT为 绝缘栅双极型晶体管 缩写 作为新一代功率半导体器件 IGBT具有驱动容易 控制简单 开关频率高 导通电压低 通态电流大 损耗小等优点 是自动控制和功率变换的关键核心部件 被广泛应用在轨道交通装备行业 电力系统 工业变频 风电 太阳能 电动汽车和家电产业中 如在轨道交通领域 牵引传动系统是动车组 机车等装备的核心部件 而IGBT又是牵引传动系统的核心部件 是 核心中的核心 IGBT因其与生俱来的节能性在中国倡导节能减排和大力发展新能源的时代备受推崇 目前中国已经成为IGBT的最大消费国 年需求量超过75亿元 而且每年以30 以上的速度增长 有关资料预测 到2020年 轨道交通电力牵引每年IGBT模块的市场规模不低于10亿元 智能电网不低于4亿元 16 由中国北车所属上海北车永电电子科技有限公司 上海北车永电公司 设计开发的3300V 50AIGBT芯片是国内首件自主设计制造的高压IGBT芯片 迈开了中国自主IGBT功率 芯脏 替代进口的步伐 由中国北车所属西安永电公司运用该3300V 50AIGBT芯片封装的1200A 3300VIGBT模块 这是第一个在国内设计生产 拥有完全自主知识产权的高压大功率电力电子器件 中国北车在高压高端IGBT领域形成了芯片设计 芯片制造 模块封装等完整的产业链 处于行业领先地位 此前国内IGBT芯片设计主要集中在民用级的1200VIGBT上 工业级和牵引级的高压大功率IGBT 国内尚无产品出现 中国北车3300VIGBT芯片自主设计的成功 填补了国内自主设计高压大功率IGBT的空白 形成具有完全自主知识产权的高压IGBT产品 逐步实现 进口替代 17 18 19 IGBT的封装形式 模块化封装 根据封装型式分为四类 如插图1所示 1 单独的IGBT 容量达15 400A 400 1200V 2 单相半桥IGBT 容量达15 75A 500 1000V 3 单相全桥IGBT 容量达18 32A 400 500V 4 三相全桥IGBT 容量达15 100A 400 1200V插图1部分IGBT模块内部结构图 a e 为一单元封装模快 f g 为两单元封装模快 h 四单元封装模快 i 六单元封装模块 j 带单相整流桥的六单元封装模块 k 带温度传感器 直流侧电流传感器及独立三相整流桥的六单元封装模块 20 21 4 1 2 IGBT的结构和工作原理1 IGBT的结构三端器件 栅极G 集电极C和发射极E 22 图7 1a N沟道VDMOSFET与GTR组合 N沟道IGBT N IGBT IGBT比VDMOSFET多一层P 注入区 形成了一个大面积的P N结J1 J1结 使IGBT导通时由P 注入区向N基区发射少子 对漂移区进行电导调制 使得IGBT具有很强的通流能力 三个PN结 J1 J2 J3四个层 N P N N P 三端 集电极C 发射极E 栅极G 漏极D 源极S 栅极G 23 2 IGBT的等效电路 C E之间的四层结构N P N N P 为隐含的晶闸管结构 包含一个PNP三极管P N N P 正常工作时开通 一个NPN三极管N P N N 正常工作时不开通 等值电路如图7 2a所示 由于正常时NPN不工作 可将其简化为如图7 2b所示的简化等效电路 简化电路表明 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 Rdr为晶体管基区内 N 区 的扩展电阻 Rbr为P区电流横向流动时的横向电阻 IGBT具有反向阻断能力 模块中常内置反并联二极管 24 图IGBT的等效电路和电气图形符号a 等效电路b 简化等效电路c 电气图形符号 E C 25 3 IGBT的工作原理 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 阻断 uCE 0时 J1结反偏 不论uGE如何 器件不导通 uGE小于开启电压UT时 MOSFET内不能形成沟道 IGBT不导通 导通 uGE大于开启电压UT时 内形成沟道 为晶体管提供基极电流 IGBT导通 导通压降 电导调制效应使电阻Rdr减小 使通态压降减小 小于MOSFET 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 但因N 区有大量空穴电荷 消失较慢 电流出现拖尾 26 4 1 3 IGBT的基本特性1 IGBT的静态特性IGBT的静态持性包括伏安特性 饱和电压特性 转移特性和静态开关特性 1 IGBT的输出特性 四个区域 分饱和区 I 放大区 II 击穿区 III 正向阻断区 伏安特性与GTR基本相似 不同之处是 控制参数是栅 射电压UGE 而不是基极电流 输出电流由栅 射电压控制 栅 射电压UGE越大 输出电流IC越大 uCE 0时 IGBT为反向阻断工作状态 反向阻断电压由J1结承担 由于N 缓冲区存在 反向阻断电压只能达到几十伏 27 28 2 IGBT的饱和电压特性 如图7 3b所示 IGBT的饱和压降一般为 2 4V 饱和压降的温度系数 在小电流范围内 1 3或1 2额定电流以下 为负 大电流范围 1 3或1 2额定电流以上 为正 其值大约为1 4倍 100 与电力MOSFET类似 并联使用时具有自动均流能力 易于并联使用 29 IGBT的饱和电压特性 30 3 IGBT的转移特性 转移特性 IC与UGE间的关系 如图所示 与电力MOSFET的转移特性相同 在大部分集电极电流范围内 IC与VGE呈线性关系 当栅 射电压接近开启电压VT时 才呈非线性关系 此时集电极电流已相当小 当栅射电压VGE小于开启电压VT时 IGBT处于关断状态 开启电压VT IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 VT随温度升高而略有下降 在 25 C时 VT的值一般为2 6V 最高栅射电压VGE由最大集电极电流所限定 一般栅射电压的最佳值可取15V左右 4 IGBT的结电容特性在IGBT芯片中 不同电极之间都有寄生电容存在 如图4 24所示 其中 Cies是指栅极与发射极之间的输入电容 Coes是指集电极与发射极之间的输出电容 Cres是指集电极与栅极之间的反向传输电容 由图可以看出 随着驱动电阻的增加 IGBT的寄生电容有减小的趋势 31 32 2 IGBT的动态特性包括开通过程和关断过程两个方面 1 IGBT的开通过程如图7 4所示 与MOSFET相似 因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行 VGG 为栅射电压 开通延迟时间td on 电流上升时间tri开通时间ton 开通延迟时间与电流上升时间之和 即ton td on tri集射电压的下降时间 分为tfv1和tfv2两段 tfv1段 为MOSFET单独工作时的电压下降时间 tfv2段 为MOSFET和PNP管同时工作时的电压下降时间 33 2 IGBT的关断过程关断延迟时间td off 集射电压上升时间trv电流下降时间 iC从ICM下降至接近于零 分为tfi1和tfi2两段 tfi1 IGBT内部的MOSFET的关断过程 iC下降较快 tfi2 IGBT内部的PNP晶体管的关断过程 iC下降较慢 关断时间toff toff td off trv tfi1 tfi2 IGBT中PNP的存在 带来了电导调制效应的好处 但也引入了少子储存现象 因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET 34 IGBT的关断过程 35 4 1 4 IGBT的擎住效应1 寄生晶闸管 由一个N PN 晶体管和作为主开关器件的P N P晶体管组成2 擎住效应或自锁效应 NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻Rbr P型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降 相当于对J3结施加正偏压 在规定的IC内 这个正偏压不大 NPN晶体管不导通 一旦J3开通 NPN与PNP形成正反馈互锁 进入饱和区 寄生晶闸管开通 MOS就失去对PNP的控制作用 电流失控 这就是擎住效应 擎住效应发生后 集电极电流增大造成过高的功耗 导致器件损坏 36 37 3 静态擎住效应 集电极通态电流的连续值IC超过临界值ICM时产生的擎住效应称为静态擎住现象 4 动态擎住效应 动态擎住效应 在IGBT关断过程中产生 ICM值的确定 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小 厂家规定的ICM值是按动态擎住效应确定的 位移电流 IGBT关断时 J1 J3为正向PN结 J2承受关端电压 IGBT关断过程中 MOSFET关断十分迅速 IGBT总电流也很快减小为零 J2结的反向电压也迅速建立 dVCE dt很大 J2结的结电容充电引起位移电流CJ2dVCE dt 38 动态擎住效应的出现 位移电流流过体区电阻Rbr 产生压降 J3结承受正偏压 当位移电流足够大时 J3结开通 出现动态擎住效应 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高 20世纪90年代中后期开始逐渐解决 5 限制擎住效应的措施 a 过流保护 保证IGBT中的电流不超过ICM值 b 加大门极电阻RG 延长IGBT的关断时间 减小重加dVCE dt c 器件制造厂家在IGBT工艺与结构上设法提高ICM值 39 4 1 5IGBT的安全工作区 开通和关断时 IGBT均具有较宽的安全工作区 1 正偏安全工作区 FBSOA IGBT开通时为正向偏置 其安全工作区称为正偏安全工作区 简称FBSOA 如图7 8a所示 FBSOA确定 最大集电极电流 最大集射极间电压和最大集电极功耗确定 FBSOA与导通时间的关系 导通时间很短时 FBSOA为矩形方块 导通时间增加 安全工作区减小 直流工作的安全工作区最小 40 41 2 反向偏置安全工作区 RBSOA IGBT关断时为反向偏置 其安全工作区称为反向偏置安全工作区 简称RBSOA 如图7 8b所示 RBSOA确定 最大集电极电流 最大集射极间电压和最大允许电压上升率dVCE dt确定 RBSOA与dVCE dt的关系 dVCE dt增加 安全工作区减小 42 4 1 6IGBT的主要参数1 集 射极间电压UCE 由内部PNP晶体管的击穿电压确定 栅 射短路时最大集 射极间电压UCES 栅极开路时最大集 射极间电压UCEO 栅 射反偏时最大集 射极间电压UCEX UCEX UCEO UCES 三者差别不大 选择器件时 取UCES 2 3 UN UN为母线电压 集 射极饱和电压UCE sat 一般2 5V 43 2 栅 射极最高电压UGES 一般为 20V 20V 3 栅极开启电压UT 一般2 6V 4 最大集电极电流ICN 结温为25 时 所允许的集电极最大直流电流 选择器件时 取ICN 2 3 IC IC为器件实际流过的平均电流 5 最大集电极脉冲峰值电流ICP 在一定脉冲宽度时 所允许的集电极最大脉冲电流 6 最大集电极功耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗 44 4 1 7IGBT的特点1 开关速度高 开关损耗小 在电压1000V以上时 开关损耗只有GTR的1 10 与电力MOSFET相当 2 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 3 通态压降比VDMOSFET低 特别是在电流较大的区域 4 输入阻抗高 输入特性与MOSFET类似 5 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 45 IGBT的主要参数示例 46 IGBT的主要参数示例 47 48 49 IGBT的主要供应商 50 复习思考题 1 IGBT是一种复合器件 它主要有哪些优点 2 画出IGBT的结构剖面图 等效电路图 简化等效电路图 说明它与电力MOSFET的结构有什么区别 3 IGBT的工作原理是怎样的 4 画出IGBT的输出特性曲线 转移特性曲线 标出各区域名称 5 什么是IGBT的擎住效应 静态擎住效应 动态擎住效应各是怎么产生的 怎样避免出现擎住效应 51 4 2栅极驱动4 2 1驱动条件 IGBT静态 动态持性与栅极驱动条件关系密切 驱动条件包括 栅极电路正偏压VGE 负偏压 VGE和栅极电阻RG大小等 受影响的静 动态特性包括 IGBT的通态电压 开关时间 开关损耗 短路承受能力以及dVCE dt电流等参数 52 驱动条件与器件特性的关系如表7 3所示 53 1 正偏电压VGE的影响 以富士2MB50 060型IGBT模块为例 说明栅极驱动电路条件对各特性参数的影响情况 1 正偏电压VGE对通态压降VCE的影响 驱动电路如图7 9a所示 通态压降VCE与VGE的曲线图7 9b 结论 由图可知 a 当VGE增加时 通态压降下降 b 集电极电流IC增加 通态压降也增加 54 2 正偏电压VGE对开通损耗的影响 开通能耗Eon与栅极正偏压VGE的关系曲线 图7 l0所示 结论 a VGE增加时 开通时间缩短 开通损耗减小 b 结温越高 效果越明显 VGE 3 其它影响 VGE的增加虽然对减小通态电压和开通损耗有利 但是VGS不能随意增加 VGS增加到一定程度之后 对IGBT的负载短路能力以及位移电流有不利的影响 55 SC 短路 56 2 负偏电压 VGS的影响 1 负偏电压对集电极浪涌电流的影响 试验现象 当V2断态 VD反向恢复电流 当VD反向阻断 V2C E极间产生高达30000V us的dVCE dt 过高的CdVCE dt VGE迅速上升 产生集电极浪涌脉冲电流 IGBT发生不可控的擎住现象 结论 a 栅极加反偏电压 集电极浪涌电流明显下降 b 负偏置电压应为 5V或更大一些 集电极浪涌脉冲电流 57 2 负偏电压对关断能耗的影响 关断能耗Eoff随 VGS变化的关系曲线 图7 12所示 结论 Eoff随 VGS增加变化很小 但与温度有关 VGS 58 3 栅极电阻RG的影响 1 栅极电阻RG对开 关损耗的影响 开通能耗Eon与关断能耗Eoff和栅极电阻RG的关系 如图7 13所示 结论 栅极电阻RG增加时 IGBT的开 关时间增加 每脉冲的Eon和Eoff也增加 可见希望RG要小一些 RG 59 2 栅极电阻RG对集电极电流上升率diC dt的影响 如图7 14所示 结论 栅极电阻RG增加时 IGBT的电流上升率diC dt减小 有利于IGBT安全导通 可见希望RG要大一些 60 3 栅极电阻RG的选择 根据上述两种情况 RG选择原则是 在开关损耗不太大的情况下 应选用较大的栅极电阻RG RG阻值 应当根据IGBT的电压 电流定额选择 栅极电阻RG的阻值通常可使用表1所示的推荐值 如果工作频率较低 也可采用前一档电阻较大的值 表1栅极电阻RG的推荐值 额定电流大 输入电容大 栅极电阻小 61 4 对IGBT驱动电路的基本要求根据上述分析 对IGBT的驱动电路提出下列要求和条件 1 IGBT与电力MOSFET的输入特性几乎相同 所以容量相当的器件可以采用相同的驱动电路 2 容性输入阻抗 对栅极电荷集聚很敏感 驱动电路必须很可靠 要保证有一条低阻抗值的放电回路 3 用低内阻驱动源对栅极电容充放电 以保证栅极控制电压VGE有足够陡峭的前后沿 使IGBT的开关损耗尽量小 另外IGBT开通后 栅极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏 62 4 栅极电路正偏压应为 15V 10 负偏压应为 5 15V 15V的驱动电压足够使IGBT处于充分饱和 通态压降也比较低 又能有效地限制短路电流值和因此产生的应力 若驱动电压低于12V 则IGBT通态损耗较大 IGBT处于欠压驱动状态 若驱动电压 18V 则难以实现IGBT的过流 短路保护 影响IGBT可靠工作 5 IGBT多用于高压场合 故驱动电路应与控制电路在电位上严格隔离 6 栅极驱动电路应简单实用 具有保护功能 有较强的抗干扰能力 7 若为大电感负载 IGBT的关断时间不宜过短 以限制di dt所形成的尖峰电压 保证IGBT的安全 63 5 IGBT驱动电路的基本形式 1 分立元件驱动电路 复杂 集成度低 故障率高2 光耦合器驱动电路 广泛应用 选用余地大主要有东芝TLP系列 夏普PC系列 惠普HCPL系列等 3 厚膜驱动电路 混合集成电路 将元件集成在一块基片上 用厚膜包成为一个整体 可靠性高 应用广泛 有三菱M579系列 富士EXB系列 东芝TLP系列 陕西高科HL系列等 4 单片集成驱动电路 可靠性高 应用广泛 有IR公司的IR21系列等 64 4 2 2分立驱动电路1 具有阻尼滤波的驱动电路 电路结构 如图7 15a所示 参考书此处有误 65 正 负偏压双电源工作方式 IGBT工作更稳定 栅极和发射极的引线应尽量短 栅极驱动电路的输出线应为绞合线 阻尼滤波器 图中栅 射端并联的阻尼网络 由1 电阻和0 33uF电容器组成 可抑制输入信号的振荡现象 驱动电路输出级与IGBT输入端之间串有一只l0 的栅极电阻 66 2 采用光耦电路隔离的栅极驱动电路 电路结构 如图7 15b所示 光耦器件 采用抗噪能力强 信号传输时间短的光耦 驱动电路输出级采用互补电路 以降低驱动源的内阻 加速IGBT的关断过程 67 3 应用脉冲变压器直接驱动IGBT的电路 原理 输入脉冲信号经V放大后加到脉冲变压器T 并由T隔离耦合经稳压管VSl VS2限幅后驱动IGBT 采用电磁隔离 T二次侧不需要专门的直流电源 工作频率较高 可达l00KHz左右 占空比低于50 缺点 由于漏感和集肤效应的存在 使绕组绕制工艺复杂 易于出现振荡 68 4 用定时器555组成的驱动电路 定时器555的原理 如图7 17b所示 555定时器功能表 脚悬空 69 当 相连时 555定时器输入输出关系简化为 V2 6 2VS 3时 V3 7 0 V2 6 VS 3时 V3 7 1 用定时器555组成的驱动电路 电路结构 如图7 17a所示 555的 端子接在一起 组成双稳态电路 驱动电路原理 图7 17a中 控制脉冲信号经光耦合器VL隔离后将信号经由R1 R2传送至定时器555的 端 即同时送至TH TR端 当信号为高电平时 TH端有效 使555输出端 为低电平 当信号为低电平时 TR端有效 使555输出端为高电平 额定输出电流为200mA 70 10V 71 说明三点 反偏电路 R5 VS1构成了对IGBT输入端的负偏压 以保证IGBT关断的可靠性 VS1需要并联电容作为储能 可取 VS 25V VS1稳压值 10V 复位电路 复位端子 可作为过电流信号控制输入端 使用时不要直接接电源 而是接R3 C2和VD1网络 可以达到 上电复位 为低电平 过电流封锁功能 将 拉为低电平 滤波电容值要适当选择 以免发生误动作 驱动电阻 开通驱动电阻为R4 RG 而R4不可能很小 关断驱动电阻为RG 可外加三极管提高驱动能力 详见下一电路 72 5 由SG3524组成的IGBT驱动电路 SG3524的原理 框图与图5 47所示SGl525类似 引脚定义如下 端为误差放大器的反相端和同相端 端为振荡器输出端 端为限流放大器的同相端和反相端 端为RT端 端为振荡器CT端 端为接地端 端为补偿端 端为关断端 分别为A组和B组的信号输出端 为外接电源端 为内部参考电源端子 73 74 75 电路连接 SG3524输出级的两组输出端并联使用 片内误差放大器接成射极跟随器 补偿端 的电压与输入端 的相同 可调电阻RP用于调节输出的脉冲宽度 图中C1 R3和R4是软起动电路 10脚电压逐渐减小 R6和VS的作用是在IGBT的输入端形成负偏压 从而保证可靠截止 当芯片输出晶体管截止时 端为高电平 V导通 对IGBT加正向栅极电压VGE 76 补充 具有电流保护的CMOS器件驱动IGBT的电路CD4011是4与非门CMOS型电路 反逻辑 77 工作原理是 正常情况下 来自电流传感器BHL的检测信号小于比较器A反相端的给定值 比较器A输出低电平 光耦合器VLC2不导通 反相器D输出高电平 封锁脉冲功能不起作用 当控制脉冲由低电平变为高电平时 VLC1输出低电平 由4011型CMOS的4个与非门电路组成的整形电路输出高电平 使Vl截止 V2导通 电容器C2给IGBT的栅 射极施以反向电压 使IGBT快速关断 当控制脉冲由高电平变为低电平时 VLCl输出高电平 401l输出低电平 Vl导通 V2截止 提供给IGBT导通时栅 射极所需的正向电压 使IGBT快速导通 78 一旦发生过电流 则比较器A输出高电平 并经二极管VD自保持 VLC2导通并输出低电平 4011输出高电平使V1截止 V2导通 使IGBT迅速关断 同时反相器D输出低电平而封锁控制脉冲 该驱动电路优点 带有过电流保护功能 光耦隔离 4个与非门并联提高驱动能力 R1 C1与R2 C2的作用是可以获取不同的正 反向驱动电压 以满足各种IGBT对栅极驱动电压 UGE和 UGE的要求 缺点 受光耦传输速度影响 工作频率不能太高 即使采用高速光耦合器 也只能达到10 20kHz 79 复习思考题 1 栅极驱动电路的正偏电压 负偏电压的大小对IGBT的性能有哪些影响 2 驱动电路的栅极电阻RG的大小IGBT的性能有哪些影响 3 IGBT对栅极驱动电路有哪些基本要求 4 会分析图7 15 7 17 7 18等驱动电路的工作原理 80 4 3IGBT的集成栅极驱动1 概述 IGBT器件比其它器件拥有明显的优势 使得IGBT在UPS 交流变频调速 开关电源 AC DC AC变换电源 DC DC变换电源等各类电力电子装置中获得了广泛应用 应用关键问题仍然是驱动电路的合理设计与快速有效的保护 因此世界各电力电子器件生产公司 纷纷推出了众多与IGBT配套的集成栅极驱动器 由于IGBT与MOSFET具有完全相同的输入特性 因此 MOSFET的驱动电路都可用于驱动IGBT 如美国IR公司生产的IR21系列驱动器等 由于IGBT比MOSFET功率大 输入电容大 所需驱动功率也要大 因此 IGBT集成驱动电路中既有厚膜驱动电路 也有单片集成驱动电路 同一系列的驱动电路中 不同型号驱动器的引脚和接线基本相同 只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同 81 表1常用IGBT集成驱动电路一览表 82 83 84 85 2 EXB系列IGBT驱动电路 1 概述 EXB系列IGBT驱动电路是日本富士公司推出的专用混合集成驱动器 在我国使用广泛 型号 分标准型和高速型两种 EXB系列驱动器与IGBT的使用配置见表4 7所示 表4 7驱动模块与IGBT的使用配置 86 87 2 内部结构框图及特点 内部结构框图 如图7 19所示 构成 信号光耦隔离输入 信号放大 过电流保护 正 负驱动电压形成及驱动输出 88 EXB系列驱动电路具有以下功能 1 信号隔离 内置光耦合器 实现输入 输出的隔离 可隔离交流电压达2500V EXB840 EXB841采用高速光耦 2 过电流检测 内置过电流检测与保护电路 过电流保护后 封锁自身驱动输出 同时给出专门的故障输出信号 3 低速过电流切断 当流过IGBT的电流超过设定值时 EXB可以低速关断IGBT 以防过快地切断过电流时产生较高的尖峰电压 损坏IGBT 4 单电源工作 正负电压驱动 EXB系列由外部 20V单直流电源供电 可产生 15V和 5V的栅极驱动电压 以保证IGBT的可靠导通与关断 89 3 EXB841的电路原理图 如图7 20所示 可将模块分为三个部分 放大部分 过电流保护部分和5V基准电源部分 放大部分 由TLP550光耦合器 晶体管V2 V4 V5和阻容元件Rl C1 R2 R9组成 其中光耦起隔离作用 V2为中间放大级 V4 V5组成互补式推挽输出 过电流保护部分 由晶体管V1 V3和稳压管VSl以及阻容元件R3 R8 C2 C4组成 它们实现过电流检测和延时保护功能 模块的 脚通过快速二极管VD2接至IGBT的集电极C 以检测VCE的高低来判断是否发生短路 5V基准电源部分 由VS2和R10 C5组成 它既为驱动IGBT提供 5V反偏压 同时也为输入光耦合器提供二次电源 90 5V 5 7 3 1V 4 C 开通时间1 5us左右 2 54us 3 6V8 3us 135us 91 4 EXB841驱动模块的工作原理 正常开通过程当 脚高电平时 光耦导通 A电位迅速下降至0V 使V1 V2截止 B电位上升至20V V4导通 V5截止 使IGBT迅速导通 VCE下降至3V 与此同时 V1管截止使 20V电源通过R3向电容C2充电 时间常数 1为使C点电位由零升到13V的时间可由下式求得然而由于IGBT约lus后已导通 VCE下降至3V 从而将EXB841的 脚电位钳制在8V左右 因此C点和F点电位只能达到8V左右 这个过程时间为1 24us 因VS1的稳压值为13V 故在IGBT正常开通时不会被击穿 V3不通 E点电位仍约为20V 二极管VD1截止 不影响V4 V5管的工作状态 92 正常关断过程当 14 15 脚无电流时 光耦不通 A点电位上升使V1和V2管导通 V2导通使V5导通 V4截止 IGBT的栅极电荷通过V5迅速放电 使 3 脚电位迅速下降至0V 由于此时 3 脚电位比 脚电位低5V 所以IGBT可靠关断 VCE迅速上升 使 6 脚经VD2隔离 悬空 此时V1导通 C2通过Vl更快放电 将C点和F点电位箝在0V 由于此时V2导通 B点电位也为0V 此刻VS1仍不通 后续电路不会动作 IGBT正常关断 93 保护动作 因IGBT正常导通时C点和F点电位稳定在8V左右 保护电路不动作 若此时发生短路 IGBT承受大电流而退饱和 VCE上升很多 VD2截止 则 脚 悬空 C点和F点电位开始由8V上升 当上升至13V时 VS1被击穿 使V3导通 C4通过R7和V3放电 E点电位逐步下降 从而使EXB841的 脚电位也逐步下降 慢慢关断IGBT 其中C点和F点电位由8V上升到l3V的时间可由下式求又R7 C4组成的时间常数为 94 则E点由20V下降到3 6V的时间 脚为5V 可由下式求得此时慢关断过程结束 IGBT栅极偏压为0V 这种状态一直持续到关断控制信号使EXR841中光耦截止 此时V1和V2导通 V2管导通使B点电位下降至0V 从而V4完全截止 V5完全导通 IGBT栅极所受偏压由慢关断时的0V迅速下降到 5V IGBT完全关断 PWM关断信号 使V1导通使C2迅速放电 V3截止 20V电源通过R9对C4充电 时间常数为则E点由3 6V充至19V的时间可由下式求得即E点恢复到正常状态需135us 至此EXB841完全恢复到正常状态 可以进行正常的驱动 95 5 EXB851驱动模块应用电路 如图3 23所示 其他几种电路应用方法相似 96 图中RG为栅极串联小电阻 可以防止栅极信号振荡及减小IGBT集电极电压尖脉冲 电容 47 F 是用于吸收由于电源接线阻抗引起的供电电压变化 而不是电源滤波电容器 端过流保护临界电压对地动作值为13V 要根据不同IGBT的各自通态压降最大允许值 选择VD的通态压降 例如 外接1只ERA34 10 VF 3V 时 则IGBT的过流动作电UCE UCE 13 5 3 5V 97 3 M57962L 带保护和定时复位功能的IGBT专用驱动电路 1 概述 M579系列IGBT专用厚膜集成驱动电路是日本三菱电机公司推出的系列产品 包括M57957L M57958L M57959L M57962L M57959AL M57962AL M57963L等多个型号 同一系列的不同型号 其引脚和接线基本相同 只是适用被驱动的IGBT器件的容量 开关频率 驱动电流及保护功能有所不同 下面以带保护和定时复位功能的M57962L驱动电路为例 说明该系列的结构原理及应用接线 98 M57962L具有以下几个特点 采用快速型光耦实现电气隔离 适合频率20kHz左右 光电耦合器的原边已串联限流电阻 约185 可将5V的电压直接加到输入侧 具有较高的输入 输出隔离度 2500V 有效值 采用双电源供电方式 以确保IGBT可靠通断 电源电压的极限值为 18V 15V 一般取 15V 10V 具有短路和过流保护电路 通过检测IGBT的饱和压降来判断是否过流 一旦过流 将对IGBT实施软关断 并输出过流故障信号 输入端为TTL门电平 适于单片机控制 信号传输延迟时间短 低电平转换为高电平的传输延迟时间 以及高电平转换为低电平的传输延迟时间 都在1 5 s以下 99 100 2 内部结构如图4 15所示 M57962L有信号输入及接口电路 正负驱动电压形成电路 定时复位电路 检测电路及栅极关断电路等组成 101 3 工作原理当外部信号高电平时 光耦通 接口电路把信号整形后由功率放大级驱动IGBT导通 当外部控号低电平时 光耦截止 接口电路亦输出低电平 由功放级给IGBT的栅 射极施加反向电压 使IGBT关断 102 保护电路工作过程 当从引脚 检测到被驱动的IGBT集 射集电压较高时 即认为负载短路或过载 定时器被启动 电路立即逐渐降低栅极电压 慢速关断IGBT 此时 不论输入为何种电平 都封锁被驱动的IGBT的栅极脉冲 并输出故障信号 低电平有效 当经过预定的1 2ms延时后 如果检测到的信号变为正常时 则为假过流 保护电路就自行恢复到正常输出状态 M57962L的典型应用实例 故障信号封锁PWM信号 103 栅极电阻RG的取值 图中栅极电阻RG的取值非常重要 适当数值的栅电阻能有效地抑制振荡 减缓开关开通时的di dt 改善电流上冲波形 减小电压浪涌 从安全可靠性角度来说 应当取较大的RG 但是 RG影响开关速度 增加开关损耗 从提高工作频率角度 应当取较小的RG 一般情况下 可靠性是第一位的 因此使用中倾向于取较大的RG 104 表13为驱动三菱第三代IGBT模块所推荐的RG标准值 该标准值适用于20kHz 低频下工作 小于5kHz 可将此值再扩大5 10倍 RG的最佳值应当通过试验确定 105 M57962L驱动大功率IGBT模块时的典型电路在图示电路中 NPN和PNP晶体管构成电压提升电路 该晶体管选用快速晶体管 并且要有足够的电流增益以承载需要的电流 106 在M57962L驱动大功率IGBT模块时 应注意 驱动芯片的最大输出电流峰值受栅极电阻RG的最小值限制 M57962L的RG允许值在5 左右 这个值对于大功率的IGBT来说高了一些 且会引起IGBT的上升时间 下降时间以及开关损耗的增大 在较高开关频率5kHz以上应用时 这些附加损耗是不可接受的 驱动电路缓慢地关断会使大功率IGBT模块的开关效率降低 另外 驱动电路缓慢地关断还会使大功率IGBT模块需要较大的吸收电容 107 108 驱动电压 M57962L采用双电源供电 15V 10V 可以产生 14V左右的正驱动电压和 9V左右的负驱动电压 可以直接驱动400A 600V或400A 1200V以内的IGBT M57962L也可采用 25V的单电源供电工作 109 M57962L内部 110 M57962L内部电路 网上资料 111 a正常开通过程 网上资料 当控制电路使M57962L输入端13和14脚有10mA的电流时光耦IC1导通 A点电位迅速下降至VEE 使IC2A的2脚输出为高电平Vcc 则三极管V2 V4导通 V3 V5截止 使V7导通 Vcc加到R17上 同时由R18 R17 R18 大于R16 R15 R16 导致IC2D的13脚为低电位 V6截止 R4 R3 R4 大于R16 R15 R16 使IC2B的13脚截至 故IC2的14脚为高电平V1 截止 M57962L的8脚不输出故障信号 在M57962L输入端13和14无电流时 IC1截止 A点电位上升使IC2A的2脚变为低电位 则使V3 V5导通 V2 V4截止 lGBT的门极 GATE 通过V5导通到VEE 而使IGBT关断 IC2C的14脚输出为低电平 使V1 V7导通 使IC2B IC2D保持原先状态不变 112 b短路故障状态 网上资料 若IGBT己导通发生过流现象 则E F两点电压升高 经过保护延时而使得V7截止 IC2D的13脚变为截止 使V6导通 在M57962L的8脚输出故障信号 同时 V6使得A点变为低电平VEE进入封闭型软关断过程 此时 M57962L的13和14脚有无信号 对M57962L的状态没有影响 C6通过R14和R21放电使G点电位缓慢下降 从而实现软关断 同时 C1则通过R4放电使得IC2B的7脚的电位缓慢下降 当C1放电结束时 将打断软关断过程 若IGBT的短路故障消失则电路就可以恢复正常工作 若IGBT的故障末消失 则M57962L输出周期为1 3ms的脉冲信号 前沿陡 后沿缓 4 国产大功率IGBT驱动器 KA102 113 公司资料 114 公司简介 1 1 2 3 4 5 国内第一家专注研发生产IGBT驱动的厂商 国内唯一可以满足5到3600A 600到6500V全系列IGBT应用的厂商 公司依托高校及科研院所 技术力量雄厚 国家高新技术企业 中国电源学会和北京电源行业协会会员 应用领域 变频调速 光伏逆变 电动车及电力机车 电源 感应加热 无功补偿 检测设备 激光切割焊接等 115 116 二 KA102内部结构框图和工作原理简介 KA102的电路工作原理如下 输入信号经高速光耦隔离 由接口电路传送到功放级 产生正 负栅压 驱动IGBT 当发生直通短路时 集电极电压显著增大 7端检出IGBT的栅极和集电极同为高电平就判断为短路 定时器被启动 通过栅极关闭和降压电路将短路电流箝制在较低值 同时发出故障信号 如7端回到低电平 保护复位 电路恢复常态 117 过流保护阈值电压 触发过流保护动作时的7脚对15的电压 当7脚对15脚 即IGBT的发射极 的电位升高到7 5V时启动内部的保护机制 在6 12脚间接一个电阻Rn可以降低过流保护的阈值 118 盲区时间 检测到IGBT集电极的电位高于保护动作阈值后 到开始降栅压的时间 因为各种尖峰干扰的存在 为避免频繁的保护影响开关的正常工作 设立盲区是很有必要的 在5 12脚间接一个电容Cblind可以调大盲区时间 119 延迟判断时间Tdelay 初始栅压开始降低Vdrop 到驱动器开始软关断IGBT之间的时间 在Tdelay时间内 如果过流信号消失 则驱动器认为这种过流不属于真正的短路 无需中断电源的正常工作 从而恢复原来的驱动电平 如果过流信号继续存在 则将进入软关断的进程 在8和12脚间接一个电容Cdelay 可以设定延迟判断时间 120 软关断时间Tsoft 驱动电压从Voh Vdrop 降到0电平的时间 在10 12脚接一个电容Csoft 可加大软关断时间 软关断开始后 驱动器封锁输入PWM信号 即使PWM信号变成低电平 也不会立即将输出拉到正常的负电平 而要将软关断过程进行到底 软关断开始的时刻 驱动器的12脚输出低电平报警信号 一般要接一个光耦 将信号传送给控制电路 121 再启动时间Trst 短路故障发生后 驱动器软关断IGBT 如果控制电路没有采取动作 则驱动器再次输出驱动脉冲的间隔时间 在13 12脚接一个电容Creset可延长再次启动的时间 122 123 过流保护波形曲线图 124 3 HR065 IGBT专用厚膜集成驱动器 1 概述 是日本英达公司的IGBT专用集成驱动器 具有光耦隔离 过流保护 慢关断功能 2 电路框图及引脚 原理框图 如图7 2la所示 125 驱动回路 输入脉冲信号经高速光耦合器隔离后 再经传输级即可送至输出级产生正 负偏压 加到IGBT的栅极 过电流故障的检测和保护电路 通过监视通态压降来判断是否发生过电流 一旦通态压降超过设定值 故障检测电路动作 经开关S2向故障信号输出电路及导通保持电路发出动作信号 导通保持电路的作用 是实现 软关断 即过电流现象发生后并不立即关断IGBT 而是继续保持一小段时间 此时的正向驱动电压必须持续下降 而后再输出负向偏压 真正关断IGBT 软关断的优点 是可延长IGBT承受短路的时间 有效地抑制关断尖峰电压 避免器件过电压击穿 逻辑电路的作用是保证只在输出正向偏压期间故障检测电路才起作用 其余时间不起作用 126 HR065的内部电路图 如图7 2lb所示 19V 9V 127 HR065的引脚 定义如下 端 连IGBT发射极 脚 直流电源正端 脚 接栅极电阻 脚 接直流电源地 脚 分别接输出报警光电耦合器的正 负端 端 接过流保护抗干扰电容 脚 接集电极监测二极管正端 脚 分别接输入信号的正 负端 128 3 工作原理 电路图 驱动器的基本电路 光耦VL 晶体管V1 V2 V3及R1 R2 R3构成 其中V2 V3为 对互补推挽输出管 V2导通时V3必定截止 输出正驱电压 反之 输出负驱电压 Vl为信号中间推动管 光耦VL起到传递输入信号和实现输入输出隔离的双重作用 过电流检测 故障信号输出及导通保持电路 V4 V5 VS及R4 R8 C1 C3构成了 IGBT正常导通时 端与 端之间电压较低 故VS 稳压值19V 中无电流流过 V5截止 故障信号输出端 之间无电流输出 129 19V 130 过电流发生时 送出故障信号 降栅压 软关断 过流时 IGBT饱和压降升高 当增大到超过某一设定值时 VS反向导通 V5导通 之间有电流输出 送出故障信号 通知PWM信号发生器封锁PWM信号 此时VD导通 强行将V2 V3的基极电流减小 使V2从饱和区退回到放大区 造成正向驱动电压下降 实现降柵压软关断 状态延时 V5导通时 产生正向脉冲信号经C2耦合到导通保持电路 由于C2 C3的作用可使V4保持导通状态约30 45us 保证了V1在这段时间内可靠截止 不受输入端信号的影响 以可靠实现降栅压 软关断 131 假过流 如果在状态延时内 过电流故障撤销 则VS V5截止 VD截止 正向驱动电压恢复正常 IGBT照常工作 真过流 若在状态延时以后 过电流故障仍然存在 V4截止 PWM信号中的低电平信号输入光耦 则V1导通 立即在IGBT栅极形成负偏电压 关断器件 V6作用 V1导通时 V6也导通 将故障检测电路屏蔽 V6起逻辑电路作用 即只在驱动器输出正向电压时才开放过电流检测电路 其他情况下均使其无效 这样能可靠地防止 假过电流 注意 如果过电流发生在IGBT即将关断时 状态延时将会增加其导通时间 对于逆变桥来说有直通的危险 20kHz 占空比0 4 ton 20us 132 4 外部接线 C1 C2为储能电容 提供驱动电流 C3 C4为高频电容 防止振荡 C7 4为过电流保护延时电容 当C7 4 2200p时 可延时5 8us 工作电源25V 提供 16V正驱电压 9V负驱电压 端过流保护临界电压动作值为19V 指 间电压超过10V时 保护动作 且不能调整 要根据不同IGBT的各自通态压降最大允许值 选择VD1 VD2的通态压降 例如 外接1只ERA34 10 VF 3V 时 则IGBT的过流动作电UCE UCE 19 9 3 7V 133 复习思考题 1 EXB系列IGBT集成驱动电路有哪些基本功能 2 HR065IGBT集成驱动电路是怎样进行过电流保护的 134 4 TLP250集成驱动器的结构及构成的IGBT驱动电路 东芝公司 一单元MOSFET IGBT驱动器 内置光耦隔离电压可达2500V 单电源或双电源工作 管脚5可以分别接电源地或负电源 单电源工作时 电源电压为10 25V 驱动输出的上升和下降时间均小于0 5 s 工作频率25kHz 输出电流达 0 5A 可直接驱动50A 1200V以内的IGBT 体积小 价格较便宜 需另加过流保护电路 135 TLP250内部结构框图如图所示 它内部集成了光耦器件 脉冲放大和整形电路 推挽放大晶体管输出级等部分 其工作原理为 当光耦输入高电平信号时 经脉冲放大和后 使晶体管V1导通 向IGBT提供正驱动信号 当光耦输入低电平信号时 脉冲放大和整形电路将使晶体管V1关断 V2导通 向IGBT提供负的驱动信号 136 由TLP250构成的两种基本的IGBT驱动电路如图4 13所示 图4 13由TLP250构成的两种IGBT驱动电路a 直接驱动电路b 外加推挽放大晶体管的驱动电路 TLP250 15V 10V RG R1 R2 a b 1 2 3 4 8 7 6 5 1 2 3 4 8 7 6