激光电源的开关器件IGBT讲解.ppt

激光电源的开关器件IGBT,课程：激光设备控制技术院系：电子工程系主讲人：张才华,激光电源的开关器件IGBT,教学目标：,1、了解IGBT的结构与工作原理；2、了解IGBT的主要技术参数。,激光电源的开关器件IGBT,1、IGBT概述,IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),绝缘栅双极型晶体管，,=BJT(双极型三极管)+MOSFET(绝缘栅型场效应管),IGBT模块实物图,是复合全控型电压驱动式功率半导体器件。,激光电源的开关器件IGBT,IGBT的特点：,（1）GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；,（2）MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。,（3）IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小、开关速度高而饱和压降低。,（4）适合应用于直流电压在400V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等工程领域。,N沟道增强型IGBT结构图与等效电路图,激光电源的开关器件IGBT,2、IGBT结构,结构图,等效电路图,IGBT结构图,激光电源的开关器件IGBT,右边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构示意图。是在N沟道MOSFET的漏极N层上又附加上一层P层组成的PNPN四层结构的半导体。,P+区称为漏区。,器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。,N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。,激光电源的开关器件IGBT,在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Draininjector）。,它是IGBT特有的功能区，与亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。,附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。,IGBT的开关原理：,激光电源的开关器件IGBT,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，切断基极电流，使IGBT关断。,IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极的N沟道MOSFET就可以控制IGBT，所以具有高输入阻抗特性。,关断,开通,3、IGBT主要技术参数,（1）集电极-发射极额定电压Uces。器件的雪崩击穿电压而规定的电压值，是栅极-发射极短路时IGBT能够承受的耐压值。,激光电源的开关器件IGBT,（2）栅极-发射极额定电压Uges。是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT的Uges值大部分为+20V。,（3）额定集电极电流Ic。表示IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。目前，市场上IGBT模块的电流可达1000A以上。,激光电源的开关器件IGBT,（）集电极-发射极饱和电压Uce(sat)。是IGBT在正常饱和导通时集电极-发射极之间的电压降。这个值越小，管子的功率损耗就越小。,（5）开关频率。是IGBT的每秒钟开通和关断的最大次数。开关频率是以导通时间Ton、下降时间Tf和关断时间Toff形式给出的，根据这些参数可估算出IGBT的开关频率。,一般IGBT的实际工作频率都在100kHz以下，开关频率高是IGBT模块的一个重要优点。,激光电源的开关器件IGBT,4、IGBT的选择,（1）IGBT额定电压的选择三相380V输入电压经过整流和滤波后，直流母线电压的最大值：U0=380X1.414=537V在开关工作的条件下，IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍，根据IGBT规格的电压等级，选择1200V电压等级的IGBT。,激光电源的开关器件IGBT,（2）IGBT额定电流的选择以30kW电源为例，负载电流约为79A，由于负载电气启动或加速时，电流过载，一般要求1分钟的时间内，承受1.5倍的过流，最大负载电流约为119A，建议选择150A电流等级的IGBT。,激光电源的开关器件IGBT,（3）IGBT开关参数的选择开关电源的开关频率一般在1020kHZ，而在实际工作的过程中，IGBT的通态损耗所占比重比较大，建议选择低通态型IGBT。,激光电源的开关器件IGBT,（4）影响IGBT可靠性因素a.栅电压。IGBT工作时，必须有正向栅电压，常用的栅驱动电压值为1518V，最高用到20V。在桥式电路和大功率应用情况下，为了避免干扰，在IGBT关断时，栅极加负电压，一般在-5-15V，保证IGBT的关断，避免Miller效应影响。,激光电源的开关器件IGBT,b）Miller效应。为了降低Miller效应的影响，在IGBT栅驱动电路中采用改进措施：（1）开通和关断采用不同栅电阻RgON和Rgoff，确保IGBT的有效开通和关断；（2）栅源间加电容C，对Miller效应产生的电压进行能量泄放；（3）关断时加负栅压。在实际设计中，采用三者合理组合，对改进Miller效应的效果更佳。,激光电源的开关器件IGBT,总结：,激光电源的开关器件使用IGBT，是BJT和MOSFET复合型控制器件；