电力电子半导体器件IGBTPPT课件

.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，