绝缘栅双极型晶体管IGBT知识.doc

绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。2 u; K5 , M; N3 6 w M! E6 4 f在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。9 R* c) F; G( K- 6 % V$ o: Z6 7 n+ K2 a7 v1 IGBT的工作原理* T0 j( V1 l y7 W. R: / L, s, L9 4 i6 o- k- J$ H6 6 h6 MIGBT的等效电路。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。3 D+ m; S8 N2 ; O) q0 c, K/ W6 m) R# I9 D% 7 A: u- Q) ! d+ f3 N) p * r! e7 R& C# , |& # P由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定： * z7 E# A7 N: 2 - a2 m: l1 _0 t. J( CIGBT栅极与发射极之间的电压; Y# R- c5 6 b1 J$ R* j$ d7 7 L X0 L; m1 z4 s9 l7 IGBT集电极与发射极之间的电压;3 M 2 U1 6 X1 ( w3 : I/ X1 f2 q- U流过IGBT集电极发射极的电流;1 B n# X6 O- m6 G D5 h# w$ t& / C7 H# K# ) WIGBT的结温。9 o4 J9 V4 R% M9 Z- $ q) E1 ?% n 9 T. B; m如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极发射极之间的耐压，流过IGBT集电极发射极的电流超过集电极发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。# W9 n% k! r) |: e Y o! B4 d; G4 k# * j绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。6 J5 M9 % C( c5 k& i+ g$ a8 u0 . h& b在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。+ c# % I$ D7 q3 M: d. ?- j# n7 m: C2 J8 S* |% _3 _7 V1 Y1 IGBT的工作原理/ I1 a7 % b0 X* S% O% t+ Z2 N3 v9 |! v r若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。1 r X, L+ x8 l/ ( % Z2 ?# t, , R% p9 o; o0 b+ V9 Z$ Z8 t W: N9 d9 G0 U p6 E: R) E2 p$ g) v: x7 c& F8 * L7 ?由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：* V K6 D4 Q Y. W T! M; H$ y7 e; h! xIGBT栅极与发射极之间的电压;9 i o& H0 _ m j% y8 F7 J& H0 j, ?$ q MIGBT集电极与发射极之间的电压; ?; O- b, g: F# G. R4 c( e: h0 G/ Y% u) H) o* g Q: q) v流过IGBT集电极发射极的电流;9 . u3 H6 Y& w1 O& U$ O 1 VIGBT的结温。# M4 H* R( H3 B$ 3 C9 v+ P: ?/ r0 % h如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极发射极之间的耐压，流过IGBT集电极发射极的电流超过集电极发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。# y- % t: I: % 4 6 h6 G% J! l6 O2 c% v* T6 2 保护措施3 A/ _; j: Z I9 P* _. U+ + J( 5 T# J* G& R* Z9 o) k W在进行电路设计时，应针对影响IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相应的保护措施。 N$ g) f+ 2 B# j! p1 h: R8 K+ / N, e9 , n7 f/ 0 A21 IGBT栅极的保护5 D+ M5 J3 Y- 2 K$ z! + z& A6 p- J% c l d5 y# c) ) ?IGBT的栅极发射极驱动电压VGE的保证值为20V，如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下给主电路加上电压，则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十k的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极。4 |! ) J9 b2 b- I7 y1 Z U- X) r6 F- P- o2 . |+ P由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体，特别是其栅极为MOS结构，因此除了上述应有的保护之外，就像其他MOS结构器件一样，IGBT对于静电压也是十分敏感的，故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项： H9 r, a5 R$ v3 i2 q J3 F h( L: , b3 s0 L8 L* T在需要用手接触IGBT前，应先将人体上的静电放电后再进行操作，并尽量不要接触模块的驱动端子部分，必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉;, p8 Y p7 4 V! p0 ( G/ i/ _# 2 b: 在焊接作业时，为了防止静电可能损坏IGBT，焊机一定要可靠地接地。 d. e& I7 p) b0 s# ) o, a1 z0 l4 b5 9 t; 22 集电极与发射极间的过压保护: 0 0 S- V R9 E* + l. ; a1 B2 e+ q2 j8 B$ l过电压的产生主要有两种情况，一种是施加到IGBT集电极发射极间的直流电压过高，另一种为集电极发射极上的浪涌电压过高。( j7 _8 8 z4 J: $ c5 y) 6 % f D+ g- 2.2.1 直流过电压$ c& |3 u# B9 P) S1 O _8 h: 4 ( j/ g9 n3 m8 L U9 F直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT时，进行降额设计;另外，可在检测出这一过压时分断IGBT的输入，保证IGBT的安全。& z. h) T: T7 p2 p S- q, F( t. P! J. C e( O& ?/ m. k! c2.2.2 浪涌电压的保护8 R: E; J: C# J3 c2 h* p% n3 t- G O& R( % R2 w因为电路中分布电感的存在，加之IGBT的开关速度较高，当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt，威胁IGBT的安全。- f1 k0 J1 T/ ?* ? I; R& t O F+ m& T* r如果VCESP超出IGBT的集电极发射极间耐压值VCES，就可能损坏IGBT。解决的办法主要有：& u+ Z: L8 Y3 r9 X/ , x0 l7 S z% ?! y& m2 |在选取IGBT时考虑设计裕量;! 7 c3 L. + Q& l( |) ( M2 A, O4 V& X在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg，使di/dt尽可能小;3 9 d0 L( F4 A/ o9 r! x5 j, Q0 U+ l0 B( W- z* V2 / G! d尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感; S0 : P, C0 E& y. E- T1 4 K Qu8 G4 x& u8 |4 M根据情况加装缓冲保护电路，旁路高频浪涌电压。O9 f4 f g) ; v! f& H/ 4 & R l# j( w* n6 u2 g由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用，在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。j& y. G) E3 ( U) w( W% ?7 f& P% M3 V- q% i. & Q B7 r: m- K- M 6 % d7 |7 _) R, Q0 G1 F; t # j* Ynext# v# I* N1 ?5 / 2 u$ C- o3 F/ s8 |& s1 A n 采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单，其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电压振荡，而且IGBT开通时集电极电流较大。5 i6 N) i+ s9 + 2 D2 b. Q- Q7 M- i% a9 A其特点是适合于斩波电路，但在使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻值增大，否则，开通时集电极电流过大，使IGBT功能受到一定限制。( + _ Q8 h- d$ 3 W; b4 h8 O# # % t% t: q) b) X与RC缓冲电路相比其特点是，增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。. D7 Z9 D4 M/ r4 F: V# l$ & y m0 N0 y该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为+ w7 D+ v1 e# w7 v* ?, t% U+ R: R! _3 n , UP=LI2fCUd2f式中：L为主电路中的分布电感;6 F: u5 t6 C$ 5 y h* t, f+ I& w7 b- b! q8 RI为IGBT关断时的集电极电流;! a2 e w4 V8 D1 1 j2 b - 2 p. f6 U$ M# N; bf为IGBT的开关频率; R5 W; # Z A f. q! R8 x j8 s/ e, T- x- V8 L) v6 c* G8 W* H. gC为缓冲电容; S3 h0 I* B0 b- b s6 n! n % R5 w w1 M: v; c6 T AUd为直流电压值。# u2 Z2 p; H# G1 s7 f5 m* S0 i& K c5 t! L: 4 J/ | q 与RCD缓冲电路相比其特点是，产生的损耗小，适合于高频开关。9 , j7 r H+ U% w9 Z A f3 b# m4 + j4 L6 h p2 S在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为. 3 d2 d g- d, H- - E! B4 h$ C& n: oP=1/2LI2f+1/2CUf& 0 A* * I6 _) ) i# T8 7 D g4 r* w1 p根据实际情况选取适当的缓冲保护电路，抑制关断浪涌电压。在进行装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好。$ i8 u: ( M* R# G! N0 ; i3 V& ! l6 L+ V G5 l7 V/ j9 c- D2 H E7 d/ 9 & * w7 j% O+ B! E9 ?23 集电极电流过流保护* M) R% I n( . o# U& y3 B5 I8 Q f/ d; u/ B: b1 S对IGBT的过流保护，主要有3种方法。) |6 6 j- I2 W7 , S2 E% g# f$ A6 * U7 K/ a2.3.1 用电阻或电流互感器检测过流进行保护7 p) m( I( Z. * P# h1 k/ B& P N可以用电阻或电流互感器与IGBT串联，检测流过IGBT集电极的电流。当有过流情况发生时，控制执行机构断开IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。* Z8 W( j. L$ e; 5 J# b) X; v+ u# & Q+ y2.3.2 由IGBT的VCE(sat)检测过流进行保护, t+ j0 s4 2 j8 W# M, r9 - $ y. X! v6 x( I$ s因VCE(sat)=IcRCE(sat)，当Ic增大时，VCE(sat)也随之增大，若栅极电压为高电平，而VCE为高，则此时就有过流情况发生，此时与门输出高电平，将过流信号输出，控制执行机构断开IGBT的输入，保护IGBT。$ u1 I # M$ x, A- P+ . F, X: S t0 t5 ?& 1 e2.3.3 检测负载电流进行保护& Z8 s c u: K1 T% |+ z3 h# / y/ v9 L/ . u! S$ u若负载短路或负载电流加大时，也可能使前级的IGBT的集电极电流增大，导致IGBT损坏。由负载处(或IGBT的后一级电路)检测到异常后，控制执行机构切断IGBT的输入，达到保护的目的。( C: F; $ X F9 M% x8 p) , j! O. D! s3 b+ o24 过热保护2 G2 u* x0 c4 Q; X( X7 / p+ J. F! C% ?一般情况下流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故而器件的损耗也比较大，如果热量不能及时散掉，使得器件的结温Tj超过Tjmax，则IGBT可能损坏。 n0 P, V, N# 5 G, R* W # Z# K* k1 ( B7 CIGBT的功耗包括稳态功耗和动态动耗，其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。在进行热设计时，不仅要保证其在正常工作时能够充分散热，而且还要保证其在发生短时过载时，IGBT的结温也不超过Tjmax。# ?* E* 4 S Q/ f7 J. P( i7 P当然，受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑，散热系统也不可能无限制地扩大。可在靠近IGBT处加装一温度继电器等，检测IGBT的工作温度。控制执行机