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文档简介
.第1、7章绝缘栅双极晶体管(IGBT),2,7.1原理和特性,首先,IGBT insulated dgbiapolistor近年来结合了这些单极和双极设备的独特优势,开发了许多具有更好的输入阻抗、高工作速度、低通过状态电压、低阻塞电压、高电流等优点的新型复合设备。应用广泛,成为当前电力半导体器件开发的重要方向。其中,绝缘栅双极晶体管(1GBT)最突出,有更换各领域前面提到的全控制装置的倾向。IGBT(IGT),1982年开发,第一代于1985年生产,主要特征是低损耗,传导压力减少到3V,减少时间为0.5us,压力为500-600v,电流为25A。第3、2代于1989年生产,高速交换机类型和低通压力降类型,容量为400a/500-1400v,工作频率为20KHZ。现在第三代在发展,仍然分为两个方向。一是追求更低的损失和更快的速度;相反,开发更大的容量,最高1000A,4500V采用液晶挤压工艺提供的容量,Iegt(injectionicedgatetransistor)2,工作原理:IGBT是基于功率MOSFET开发的,两种结构非常相似,不同之处在于IGBT形成PN接头J1,这可能导致泄漏。灌嘴和来源极类似于MOSFET。4、1。按缓冲区划分:非对称IGBT:有缓冲区n,通过IGBT;有n个区域,反向阻断能力弱,但正向压力低,切断时间短,切断时尾电流小。对称IGBT:无缓冲n,非穿透IGBT;具有正反向阻挡功能,其他特性比不对称IGBT差。按通道类型:N通道IGBTP通道IGBT,5,2。开和关原理:IGBT的开和关由栅极电压控制。当浇口施加正电压时,在MOSFET内形成通道,并将基本电流提供给PNP晶体管,从而实现IGBT传导。向浇口应用负电压将导致MOSFET内的通道消失,PNP晶体管的默认电流中断,IGBT关闭。如果VDS为负数:J3接头处于相反状态,设备处于反向阻塞状态。VDS定时:VGVT,绝缘栅下N通道的形成,载波相互作用导致N区产生电导调制,从而使设备正向传导。6,关闭时间牵引时间:装置传导后,门电压突然下降到0,通道消失,通过通道的电子电流为零,泄漏电流突然下降,但是N-区域内注入了很多电子和孔对,泄漏电流立即发生非零滞后时间。锁定现象:IGBT结构中寄生了PNPN 4层结构,由于再生作用,有可能锁定传导状态,从而导致泄漏电流失控,设备可能发生破坏性故障。晶闸管的触发传导条件如下:1 2=1a。静态锁定:IGBT在正常状态电流传导中显示的锁定。此时,泄漏电压低,锁在稳态电流密度超过特定值时发生。b .动态锁定:动态锁定主要是开关中的大电流,大电压的情况下,主要是由于电流较大时1和2的增加和过度dv/dt引起的位移电流。c .栅分布锁定:由于绝缘栅的电容效应,开关中个别开口或后闭合IGBT的电流密度过大,形成了局部锁定。增加锁定电流,并采取多种工艺措施克服锁定引起的故障。7,3,基本特性:(a)静态特性1。伏安特性:数十伏,没有反向阻塞功能,饱和区域,放大区域,破坏区域。8,2。饱和电压特性:IGBT的电流密度较高,正常电压的温度系数在较小的电流范围内为负值。大电流范围为正值,其值约为1.4倍/100 。3 .传输特性:与功率MOSFET的传输特性相同。如果闸源电压VGS小于电压VT,则IGBT处于关闭状态,并且在闸源之间添加的最大电压限制为过流电流。一般来源电压最佳值15V。,9,4。开关性质:IGBT通过状态压力降比功率MOSFET小得多,1000V的IGBT具有大约2至5v的通过状态压力降。因为IGBT的n-漂移区域有电导调制效应。10,(2)动态特性1。开放过程:td(on):开放延迟tri:电流上升时间tfv1,tfv2:泄漏源电压下降时间tfv1:MOSFET单独运行时电压下降时间。Tfv2:MOSFET和PNP管同时工作时的电压下降时间。延长到泄漏源电压的降低;受PNP管饱和过程的影响。平台:浇口之间有驱动电流,浇口之间的二极管为正特性,因此VGS保持不变。11,2。关机过程:td(关闭):延迟trv:VDS上升时间tfi2:由PNP晶体管中存储的电荷决定,此时MOSFET关闭,没有IGBT和反向电压,很难快速消除体内存储电荷,因此减少时间长,VDS大,功耗大。通常没有缓冲区,下降时间很短。由MOSFET确定,12,3。开关时间:通过电流的动态波形确定开关时间。泄漏电流的开放时间和上升时间:开放时间:ton=td(on) tri上升时间:tr=tfv1 tfv2泄漏电流的切断时间和下降时间:切断时间:toff=td(off) trv减少时间:tr,13,4。开关时间与泄漏电流、栅极电阻、连接温度和其他参数的关系:14,5。开关损耗与温度和泄漏电流的关系,15,(3)引擎效应IGBT IGBT复合装置内有寄生晶闸管,由两个PNP Li NPN晶体管组成。在NPN晶体管的基座和发射极之间,存在批量电阻Rbr,它在p型区域的侧腔流中产生恒定压力降。对于J3接头,这相当于加入正偏移电压。在规定的泄漏电流范围内,此量的偏置不大,NPN晶体管无法工作。电流泄漏时-此正偏压足以允许NPN晶体管传导,打开寄生晶闸管,使栅极无法控制,这称为擎天柱效应。IGBT发生擎天柱效应后。泄漏电流增加会导致过度功耗,最终导致设备损坏。泄漏电流连续值超过阈值IDM时产生的擎天效应称为静态擎天(static optimers)现象。IGBT在关机过程中产生动态引擎效应。动态擎天允许低于静态擎天柱的泄漏电流,因此制造商规定的IDM值取决于动态擎天允许的最大泄漏电流。16,动态过程中擎的发生主要由重新添加dv/dt决定,也受泄漏电流IDM和连接温度Tj的影响。optimer现象:1,防止使用中出现IGBT。设计电路时,请确保IGBT中的电流不超过IDM值。2.增加栅极电阻RG,以延长IGBT的阻塞时间,减少再加dVDS/dt。3.设备制造商们也在寻找在IGBT的工艺和结构上尽可能提高IDM值,避免产生引擎效果的方法。17,(4)安全工作区1。fbsoa:在IGBT开通时正向偏移安全工作区。随着传导时间的增加,损失增大,热量加剧,安全区域逐渐减少。2.rbsoa: IGBT退出时的反向偏移安全工作区。随着dVDS/dt在IGBT中断时的变化,电压上升率dVDS/dt越大,安全工作区越小。选择栅极电压、栅极驱动器电阻和吸收电路设计,以控制重新添加dVDS/dt,从而扩展RBSOA。最大泄漏电流,最大泄漏源电压VDSM,18,(5)特定参数和属性,19,20,7.2栅极驱动器,第一,驱动条件:栅极驱动器电路的正偏置VGS、负偏置-vgs、栅极电阻RG大小,确定IGBT的静态和动态特性,例如,直通电压、开关时间、开关损耗、短路容量、电流di/ddi,21,1。正偏压VGS的影响;VGS增加时通过状态电压降降低,从而缩短开通时间并减少开路损失;VGS增加到一定水平时,对IGBT的短路容量和电流di/dt不利,通常VGS不超过15V。(12v至15v),22,2。负偏压- VGS的影响:栅极负偏压减少了泄漏浪涌电流,防止了锁定效果,但对阻塞特性影响不大。插图:23,3。栅阻RG的影响:栅阻RG的增加增加增加了IGBT的打开和关闭时间,从而增加了每个脉冲的打开和关闭能量损失。但是,随着RG的减少,IGBT的电流上升率di/dt的增加,IGBT的误导(too),RG电阻的损失增加。通常,如果开关损失不太大,请选择较大的电阻RG。24,24,4.IGBT驱动电路设计要求:(1)由于它是容量输入阻抗,因此IGBT对栅极电荷密度敏感,驱动电路必须可靠,并保证低电阻值的放电电路。(2)栅电容充放电作为低内阻驱动源。确保栅极控制电压VGS保持足够陡的前后侧,以将IGBT交换机损失降至最低。此外,IGBT开通后,网关驱动器源必须提供足够的电源,以防止IGBT因终止饱和而损坏。(3)栅极电路的正偏置为12 15V必须是。负偏移必须为-2到-10v。(4)IGBT常用于高电压情况,因此驱动器电路必须在整个控制电路中电位严格隔离。(5)栅极驱动器电路应尽可能简单、实用,并具有对IGBT的自我保护和强大的抗干扰能力。(6)对于大电感负载,IGBT的截止时间不应太短,以限制di/dt形成的峰值电压,从而确保IGBT的安全。25,2,驱动电路:设计满足上述驱动条件的栅极驱动电路时,IGBT的输入特性与MOSFET基本相同,因此与MOSFET的驱动电路基本相同。注意:1 .IGBT驱动器电路使用正负电压双电源。2.隔离信号电路和驱动电路时,使用强抗噪功能,并使用信号传输时间短的快速光电耦合。浇口和发射极引线尽可能短,使用双绞线。4.栅源之间的并行阻尼网络,以抑制输入信号振动。26,27,28,3,典型PWM控制芯片:TL494、SG3524、SG1525、MC3520、MC34060、VC1840、SL-64等。第四,IGBT专用驱动器模块:大多数IGBT制造商为了解决IGBT的可靠性问题,创建了相应的混合集成驱动器电路,例如日本富士的EXB系列、日本东芝的TK系列、美国久藤洛拉的MPD系列等。这些专用驱动器电路具有更好的抗干扰能力、更高的集成水平、更快的速度和更好的保护,可以优化IGBT的运行。富士的EXB841高速驱动电路。29、放大电路、过流保护电路、5V基准电压源电路组成。具有过流阻塞功能。30,7.3IGBT保护,常用保护措施:(1)通过检出的过流信号阻止栅极控制信号,从而抑制过压,使用限制过dv/dt的缓冲电路。(3)使用温度传感器检测IGBT的外壳温度,超过允许温度,主电路跳跃以保护过热。二、过流保护措施和注意问题:1 .IGBT段落时间:31,32,2。过流识别:使用泄漏电压识别方法,通过传导压降确定泄漏电流大小。切断灌嘴控制信号。注意:识别时间和操作时间应小于IGBT允许的短路过流时间(几个us),判断短路真值和假值的一般方法是降低栅极电压,增加IGBT短路衰退能力,延长保护电路操作时间进行处理。3.保护时关闭:IGBT过电流时电流宽度大,IGBT关闭速度快。如果按正常关机速度,Ldi/dt将过大,形成高峰值电压,IGBT的锁定或二次中断可能容易损坏IGBT和设备的其他组件,因此需要采取措施确保IGBT在允许的短路时间内“减速”。33,34,过电压抑制和dv/dt减少用电流互感器和霍尔元件使用过电压保护:35,3,缓冲电路。、50A、200A、36,估计缓冲电路参数:缓冲电容:L主电路杂散电感(与导线长度相关)I0关闭时泄漏电流VCEP缓冲电容器的电压正常状态值(由安全区域确定)Ed直流电源电压缓冲电阻:在关闭信号到达之前缓冲,37,7.4应用示例,1,静音频率控制系统,38,2,工业加热电源:39,3,逆变弧焊电源:40,4,不间断电源:UPS,41,5,有源电力过滤器:第42、8章新的电力半导体器件,第1章新的电力电子器件igct集成门极转换器晶闸管集成数据多址转换器(IGCT)是1996年推出的一种新型半导体开关器件。该装置集成了栅极极驱动电路和栅极转换器晶闸管GCT,形成了整体。43,门极变换器晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电源半导体器件,具有与GTO相同的高阻塞功能和低通状态电压降,具有与IGBT相同的开关性能。GTO和IGBT彼此长度长、长度短,是理想的兆瓦中压开关设备,适用于6kV和10kV的中压开关电路。2电平逆变器容量0.5M至3MVA,3电平逆变器1m至6ma,无IGCT芯片串行。如果未与IGCT集成,并且分离了反向二极管,则两电平逆变器容量将扩展到4.5MVA,三电平将扩展到9MVA,目前有一个由这些设备组成的逆变套件。目前,IGCT已商品化,ABB制造的IGCT产品的最大性能参数为4.5 kv/4ka,最大开发级别为6kV/4kA。1998年,
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