大功率igbt驱动电路设计

武汉理工大学本科生毕业设计（论文任务书学生姓名专业班级自动化0702班指导教师工作单位自动化学院设计论文题目大功率IGBT驱动电路设计设计（论文）主要内容研究目前市场大功率IGBT的特性，并针对1200V，450A的IGBT模块设计隔离型IGBT驱动电路及实现电路的保护。完成硬件电路设计。要求完成的主要任务1学习MATLAB软件相关知识内容；学习MATLAB软件相关知识；2具体了解单管IGBT结构和工作原理，知道IGBT的基本特性（静态特性、动态特性）（了解内容正反电压、集电极电流、射集电压、集电极功耗）；GEUCICEUCMP3具体了解IGBT模块分别在低压小电流驱动和高压大电流驱动条件下的驱动要求，选取高压大功率的IGBT模块进行了解并设计其驱动电路（IGBT模块选取1200V，450A的FF450R12KT4型号）；4设计隔离型IGBT驱动电路的硬件电路；5撰写毕业设计论文，字数不少于15000；6完成外文文献翻译，字数约为5000左右。必读参考资料1林飞杜欣电力电子应用技术的MATLAB仿真M北京中国电力出版社，20092王兆安刘进军电力电子技术M北京机械工业出版社，20093ABRAHAMIPRESSMAN著SWITCHINGPOWERSUPPLYDESIGNM王志强译北京电子工业出版社，20104陈坚电力电子学电力电子变换和控制技术M北京高等教育出版社，2002指导教师签名系主任签名院长签名（章）武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）绝缘栅双极晶体管（IGBT）为第三代电力电子器件，是80年代初为解决金属氧化物场效应管（MOSFET）的高导通压降、难以制成兼有高压和大电流特性和大功率晶体管（GTR）的工作频率低、驱动电路功率大等不足而出现的双机理复合器件，是MODFET和GTR结合的产物。它结合了这两种器件的优点，比MODFET减少了导通损耗，增大了导通电流，比GTR开关速度快，驱动功率小，开关频率高，而且耐压等级也显著提高。诸多的优良特性使得IGBT成为大中功率开关电源、逆变器、高频感应加热有源滤波器、家用电器等需要电流变换成和的理想功率器件。特别是近几年来，变频驱动、有源电力滤波器、轻型直流输电、UPS电源、电焊机、医疗仪器等电力电子的应用技术风起云涌，IGBT作为主流的功率输出器件，应用日趋广泛。在要求快速低损耗的电力电子应用范围内，在中、低频功率功率控制应用中，IGBT最具独特性能。众所周知，电力电子技术和应用装置的发展水平很大程度上依赖于电力电子器件的发展水平，而电力电子器件的使用性能还会依赖于电路条件和开关环境。IGBT也不例外，驱动保护电路的设计师IGBT应用中一个很重要的环节，也是应用设计的难点和关键。性能优良的驱动保护电路是保证IGBT高效、可靠运行的必要条件。目前IGBT驱动器的形式多种多样各有其特点，下面介绍几种典型常用的驱动器1双绞线传输式驱动器门极驱动电路的输出线为绞合线，为抑制输入信号的振荡现象，在门源端并联一阻尼网络，由1电阻和033电容器组成阻尼振F荡器。另外，驱动电路的输出级与IGBT的输入端之间的连接串有一只10的门极电阻。2光电耦合隔离式驱动器输入信号经光电耦合器隔离后引入驱动电路，IU经放大器放大由推换电路V2，V3向IGBT提供门极驱动信号。V2通过得到一CU个正向门极电压，当V2截止，V3导通是得到一个负的门极电压并截止。另外设计了过电流保护装置。当电流信号来时，IGBT脱离饱和状态，升高，VD1检测到DS该信号，一方面通过光耦向控制回路发信号，另一方面在较短的时间内降低门极电压使IGBT关断。3变压耦合隔离式驱动器由控制脉冲生成单元产生的脉冲信号经晶体管V进行功率放大后加到脉冲变压器T，并由T隔离耦合经稳压管VS1，VS2限幅后驱动IGBT。驱动级不需专门的直流电源，简化了电路结构，且工作频率高，可达10KHZ左右。2、基本内容和技术方案首先针对自己的研究课题，经过查阅相关书籍资料了解IGBT元件的工作原理及其特性，从而掌握该元件的本质特点。然后阅读学习关于IGBT驱动电路的文献资料，深入的了解驱动电路的基本工作原理，为自己的电路初步设计奠定下基础。同时针对驱动电路中的对于IGBT元件的保护电路所需选择的措施及栅极电阻的选择进行研究，最终根据自己设计的驱动电路的特点采取正确的保护措施，从而进一步的更好的完成本次的关于IGBT驱动电路设计的课题研究。通过查阅学习关于IGBT元件的资料文献，了解到IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，而且还学习了该元件的静态特性和动态特性。IGBT的栅源特性呈非线性电容性，并工作于高频开关状态，其快速通断导致过高的电流尖峰，在控制回路中产生干扰，引起振荡。因此，设计的驱动电路选用具有足够的瞬时电流吞吐能力及快速通断的光耦合隔离器。同时，由于IGBT的驱动电路要保证一条低阻抗的放电回路，同时驱动电源的内阻一定要小，即栅极电容充放电速度要快，以保证VGE有较陡的前后沿，使IGBT开关损耗尽量要小，所以必须对上面需求进行仔细的研究。整体驱动电路的结构和参数会对IGBT的运行性能产生显著影响，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗DV/DT的能力等。在进行设计时必须要根据IGBT的型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发挥IGBT的性能是十分重要的。IGBT驱动电路中栅极电阻的研究也是十分重要的，栅极电阻可以消除栅极振荡、转移驱动器件的功率损耗和调节开关的通断速度，所以必须针对栅极电阻选取的注意方面及其与IGBT的在电路中的关系的进行讨论研究。过流问题是IGBT和设备安全运行的重要因素，对于1200V/450A的IGBT模块来说导通压降为2V左右。工程上常采用调整串联在IGBT集电极与驱动块之间的二极管个数。其存在的问题是只能阶梯式地调整，而07V的动作电压反映在IGBT上，IC将产生很大的变化，很难做到精确设定过流保护的临界动作点。在进行毕业设计的过程中，要注意上面IGBT应用的必要条件，完成电路原理图的绘制，完成字数不少于15万字的毕业设计论文。3、进度安排第12周毕业实习，撰写毕业实习报告；第34周翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告；第5周确定最终方案，并进行可行性分析；第69周硬件设计及程序代码编制；第1011周综合调试，根据结果完善系统；第1214周完成论文撰写；第15周论文答辩；第16周论文装订4、指导教师意见指导教师签名年月日目录摘要IABSTRACTII1绪论111引言112课题研究意义213研究现状3131产品现状3132技术现状414主要研究内容52IGBT的基本结构及IGBT模块选型721IGBT的结构及工作原理722IGBT的基本工作特性923IGBT模块选型113IGBT驱动研究1231驱动电路设计要求1232IGBT的驱动电路选型1233IGBT驱动电路中栅极电阻的研究14331栅极电阻的作用14332栅极电阻的选取14333设置栅极电阻的注意事项15334栅极电阻和IGBT的关系讨论154IGBT保护电路设计1941IGBT栅极的保护1942IGBT的过电流保护1943IGBT开关过程中的电压保护2244IGBT的过热保护2545IGBT驱动保护设计总结265隔离型IGBT驱动电路硬件设计2751IGBT驱动电路原理图2752正常开通与关断过程2753保护电路的工作2754IGBT驱动电路的整体电路图296总结与展望30参考文献31附录32致谢35摘要绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种由双极型晶体管与MOSFET组合的器件，它既有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极型晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点。基于此特点，在应用的广泛领域中的IGBT是非常重要的原件，所以开设关于大功率IGBT驱动电路的设计的课题研究非常有意义。在电力电子器件中，IGBT的综合性能方面占有明显优势，并广泛地运用在各类电力变换装置中。然而如何有效地驱动并保护IGBT，成为电力电子领域中的重要研究课题之一。本文讨论了IGBT的内部结构原理及IGBT元件其静态和动态特性，研究讨论了IGBT驱动电路的主要种类和电路的各种保护方式及栅极电阻对于IGBT性能以及对驱动电路与过流保护电路的要求。本文利用IGBT的通态饱和压降与集电极电流呈近似线性关系的特性，设计一个具有完善的过流过压保护功能的IGBT驱动电路。经过对于相关资料的分析和实验，设计出具有简单、实用、可靠性高等优点的IGBT驱动电路。关键词IGBT；驱动电路；过流保护ABSTRACTINSULATIONGRIDDOUBLEPOLETRANSISTORIGBTISONEKINDBYTHEDOUBLEPOLETRANSISTORANDTHEMOSFETCOMBINATIONCOMPONENT,ITBOTHHASTHEMOSFETGRIDBIASCONTROLSPLITSECONDSELECTIONCHARACTERISTIC,ANDHASTHEDOUBLEPOLETRANSISTORBIGELECTRICCURRENTHANDLINGABILITYANDTHELOWSATURATEDPRESSUREDROPCHARACTERISTICBASEDONTHISFEATUREINTHEBROADFIELDOFAPPLICATIONOFIGBTISVERYIMPORTANTINTHEORIGINAL,SOTHECREATIONOFHIGHPOWERIGBTDRIVECIRCUITONTHEDESIGNOFTHERESEARCHISVERYMEANINGFULINPOWERELECTRONICDEVICES,THECOMBINATIONPROPERTYOFIGBTHASCLEARSUPERIORITY,WHICHISWIDELYUSEDVARIOUSELECTRICEQUIPMENTHOWEVER，NOWTODRIVEANDPROTECTIGBTEFFECTIVELYHASBECOMEONEOFTHEIMPORTANTTASKSINPOWERANDELECTRONICFIELDSTHISARTICLEDISCUSSESTHEPRINCIPLESOFTHEINTERNALSTRUCTUREOFIGBTANDIGBTCOMPONENTSOFITSSTATICANDDYNAMICCHARACTERISTICSALSODISCUSSEDTHEMAINTYPESOFIGBTDRIVECIRCUITANDTHECIRCUITRESISTANCEOFVARIOUSPROTECTIVEMETHODSANDTHEIGBTGATEDRIVECIRCUITPERFORMANCEANDONTHEREQUIREMENTSANDOVERCURRENTPROTECTIONCIRCUITUSINGIGBTSONSTATESATURATIONVOLTAGEANDCOLLECTORCURRENTAPPROXIMATELYLINEARRELATIONSHIPBETWEENCHARACTERISTICSATTHESAMETIME,DESIGNAIGBTDRIVERCIRCUITWHICHHASACOMPLETEOVERVOLTAGEANDOVERCURRENTPROTECTIONFUNCTIONAFTERTHERELEVANTINFORMATIONFORANALYSISANDEXPERIMENTS,DESIGNEDWITHSIMPLE,PRACTICAL,ANDHIGHRELIABILITYOFTHEIGBTDRIVERCIRCUITKEYWORDSIGBT；DRIVINGCIRCUIT；OVERCURRENTPROTECTION1绪论11引言近年来，随着大功率半导体开关器件发展和生产工艺的日益成熟，特别是20世纪80年代IGBT绝缘栅双极晶体管的出现，逐步实现了采用IGBT做开关管的全固态大功率调制器和高压开关电源。IGBT是MOS与BJT的复合型功率器件，这种器件属于场控功率管，有着开关速度快、耐压高、开关功率大、管压降小等特点。采用IGBT作为开关器件的调制器和高压电源，不但具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高、易模块化设计等优点，而且没有电子管的寿命问题，使用和维护费用也随之下降。IGBT的驱动电路要求驱动能力强、保护迅速有效。1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（PNPN四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属氧化物半导体）工艺被采用到IGBT中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的N缓冲层而进展的。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本性能”的综合效果得到进一步改善。1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为12001800A/18003300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中，智能化、模块化成为IGBT发展热点。现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。12课题研究意义电力电子技术的应用在当今的工业领域里起到了不可替代的作用，而IGBT在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动IGBT工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。IGBT开发之初主要应用在电机、变换器（逆变器）、变频器、UPS、EPS电源、风力发电设备等工业控制领域。在上述的应用领域中，IGBT凭借着电压控制、驱动简单、开关频率高、开关损耗小、可实现短路保护等优点，在600V及以上中压应用领域中竞争力逐步显现。在UPS、开关电源、电车、交流电机控制中已逐步代替GTO、GTR。由于SCR和GTO具有极高的耐压能力和较大的通过电流，目前在高压大电流应用中SCR和GTO仍占有统治地位。随着人们节能意识的逐步增强，变频空调、变频洗衣机等变频家电比例的逐年扩大。为了简化电路设计，提高IGBT使用的可靠性，变频家电中主要使用集和驱动电路、保护电路等功能于一体的IGBT智能模块。IGBT在汽车中的应用主要集中在汽车点火器上，已成功地取代达林顿管成为汽车点火器的首选。飞兆、英飞凌、ST在该市场中有很强的竞争力。中国铁路的发展离不开大量电力机车和高速动车组，电力机车需要500个IGBT，动车组需要超过100个IGBT，一节地铁需要5080个IGBT模块。粗略估计上述轨道交通市场对IGBT模块的需求将超过三百万个，可以想见轨道交通给IGBT市场所带来的空前机遇和发展空间。当低碳经济，节能减排成为经济工作的重点时，市场对节能概念接受能力较强。在节能减排的大环境下，IGBT一方面拥有新技术带来的广阔的市场空间，另一方面从技术发展路线来看又对以往的功率器件产品有一个逐步替代的作用。2009年我国IGBT市场为53亿元左右，目前我国IGBT市场占整个功率器件市场份额尚不足10，我们预计未来几年IGBT市场随着节能减排的推进将得到快速发展，增速将达到2030，远超整个功率器件市场。由于关键技术的缺失，中国功率器件市场绝大部分份额被国外厂商占领，在国家政策扶持下，目前中国IGBT行业中高端技术已有突破，部分厂商已具备量产能力。IGBT模块发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成本为目标的，特别是发展高压变频器的应用，简化其主电路，减少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等，都与IGBT有密切的内在联系。随着大功率IGBT在生产中的应用越来越加广泛，那么IGBT的驱动电路也得到了成熟的发展。在使用IGBT构成的各种主回路之中，大功率IGBT驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面接口作用。因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对独立的“子系统”来研究、开发及设计。大功率IGBT驱动保护电路一直伴随IGBT技术的发展而发展，现在市场上流行着很多种类非常成熟的大功率IGBT驱动保护电路专用产品，成为大多数设计工程师的首选；也有许多的工程师根据其电路的特殊要求，自行研制出各种专用的大功率IGBT。驱动保护电路而IGBT行业中的高端技术重点在于怎样驱动以及保护IGBT正常工作。13研究现状131产品现状当前市场上的成品驱动器,按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分，可分为直接驱动和隔离驱动两种，其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。不隔离的直接驱动器在BOOST、全波、正激或反激等电路中，功率开关管的源极位于输入电源的下轨，PWMIC输出的驱动信号一般不必与开关管隔离，可以直接驱动。如果需要较大的驱动能力，可以加接一级放大器或是串上一个成品驱动器。直接驱动的成品驱动器一般都采用薄膜工艺制成IC电路，调节电阻和较大的电容由外引脚接入。目前的成品驱动器种类不少，如TI公司的UCC37XXX系列，TOSIBA公司的TPS28XX系列，0NSEMI公司的MC3315X系列，SHARP公司的PC9XX系列，IR公司的IR21XX系列，等等，种类繁多。光电耦合器的隔离驱动器隔离驱动产品绝大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅器件，采用厚膜工艺制成HIC电路，部分阻容元件也由引脚接入。目前市售的光电耦合型驱动器产品，主要有FUJI公司的EXB8XX系列、MITSUBISHI公司的M579XX系列、英达公司的HR065和西安爱帕克电力电子有限公司的HL402B等，以及北京落木源电子技术有限公司的TXKA系列。TXKA系列驱动器保护功能完善、工作频率高、价格便宜，并能与多种其它类型的驱动器兼容。此类产品，由于光电耦合器的速度限制，一般工作频率都在50KHZ以下TXKA101可达80K。它们的优点是大部分具有过流保护功能，其过电流信号是从IGBT的管压降中取得的；共同的缺点是需要一个或两个独立的辅助电源，因而使用较为麻烦。由于成本问题，该类产品价格稍高，因此只适用于在大功率电源中驱动IGBT模块，在中小功率领域难以推广使用。变压器隔离、一路电源输入，自带DC/DC辅助电源的驱动器目前有CONCEPT公司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22等，使用两个脉冲变压器传递半桥驱动信号，需要一路电源输入，自带一个DC/DC电源提供驱动所需的两个辅助电源。输出的驱动信号质量不错，驱动能力也很强，但由于结构复杂，因而体积较大，价格不菲，只适用于特大功率电源中。上述两种驱动板的信号传递采用的是调制技术。北京落木源公司也开发了一款变压器隔离的驱动器，型号为KB101，可以工作在较高的频率上，但是需要用户提供辅助电源。变压器隔离、调制式自给电源驱动器调制式自给电源驱动器，采用变压器进行电气隔离，通过载频传递驱动所需要的能量，通过调制信号传递PWM信息，因此可以通过0100占空比的PWM信号。目前的许多驱动板产品都采用这种技术，如西门康的SKHI27等。单片式的调制驱动器，目前国外还未见有产品出售。但有一种2片组合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25集成电路对，其中3724与驱动源相连，3725与被驱动的绝缘栅器件相连，3724与3725之间由用户接入一个脉冲变压器，在UC3724中将PWM信号调制到约MHZ的载波上，送到隔离脉冲变压器的初级，次级输出信号在UC3725中通过直接整流得到自给电源，通过解调取得原PWM信号。国内的单片式调制驱动器，有北京落木源的TXKE系列驱动器。调制驱动器，除无需用户提供辅助电源外，还具有隔离电压高的特点，但是价格较高。变压器隔离、分时式自给电源驱动器分时式自给电源驱动器产品的优点是价格便宜，大中小功率的电源都可应用；驱动器自身不需要单独的供电电源，简化了电路；输出驱动脉冲的延迟很少，上升和下降沿也相当陡峭；工作频率较高，并且可在占空比595的范围内工作。分时式自给电源驱动器的缺点是当工作频率较低时变压器的体积较大，厚膜化困难，由于自给电源提供的能量有限、难以驱动300A/1200V以上的IGBT。132技术现状开关电源中大功率器件驱动电路的设计一向是电源领域的关键技术之一。普通大功率三极管和绝缘栅功率器件包括VMOS场效应管和IGBT绝缘栅双极性大功率管等，由于器件结构的不同，具体的驱动要求和技术也大不相同。前者属于电流控制器件，要求合适的电流波形来驱动；后者属于电场控制器件，要求一定的电压来驱动。本文只介绍后者的情况。VMOS场效应管以及IGBT绝缘栅双极性大功率管等器件的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构成了一个栅极电容CGS，因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率。小功率VMOS管的CGS一般在10100PF之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由于栅极电容CGS较大，在1100NF，甚至更大，因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容CGS，栅极驱动功率是不可忽视的。为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了一些优秀的驱动集成电路，如IR2110。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时，一般有两种途径采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。光电耦合器的优点是体积小巧，缺点是A、反应较慢，因而具有较大的延迟时间高速型光耦一般也大于500NS；B、光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法无源、有源和自给电源驱动。无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单，也不需要单独的驱动电源，但由于绝缘栅功率器件的栅源电容CGS一般较大，因而栅源间的波形VGS将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积。有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频1MHZ以上调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单,价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限制。分时式自给电源是北京落木源公司的创新技术，其特点是变压器在输入PWM信号的上升和下降沿只传递PWM信息，在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要的能量，因而波形失真很小。这种技术的缺点是占空比一般只能达到595。14主要研究内容本文旨在研究IGBT工作特性，以及驱动电路和保护电路的设计，本文的研究内容如下第二章主要针对绝缘栅双击晶体管（IGBT）的基本内部结构和元件特性进行简要的介绍和了解。其中介绍了IGBT的基本工作原理及其基本特性。叙述了IGBT的导通条件及在其中详细论述了IGBT的基本特性的静态特性中的转移特性和输出特性伏安特性的内容，通过其中的波形图可以具体的掌握其特性的知识。同时，还介绍了IGBT的动态特性，介绍了IGBT开关过程中的栅射电压UGE、集电极电流IC、集射电压UCE的波形及其中的工作特性。并在最后对现有品牌的大功率IGBT模块进行简单的初步介绍和选取。第三章是针对IGBT的驱动电路的设计要求进行了讨论并设计IGBT驱动电路。本章的前面针对包括了驱动电路的设计时的注意事项，同时也介绍了几种常见的IGBT的驱动电路，包括阻尼滤波门极驱动电路、光耦合门极驱动电路、脉冲变压器直接驱动IGBT的电路并同时举例。本次IGBT的驱动电路的设计就是选择了光耦合器门极驱动。其中还对IGBT驱动电路中的栅极电阻的选择和其对于IGBT的影响和作用的讨论。栅极电阻RG对于IGBT的正常稳定的运行有着至关重要的作用，并且RG的选取也有很多要考虑的因素。在本章节内容中还就参考的资料详细的了解了RG和IGBT开关特性及栅极电阻的计算。第四章中分析了IGBT元件的保护，就IGBT的栅极保护、过流保护及IGBT开关过程中的过电压保护和过热保护分别进行分析和学习。并同时罗列出各个模块的举例电路，根据所知的内容为自己的IGBT驱动电路的设计做好铺垫，本章节的内容对于设计IGBT驱动电路有很大的作用。最终设计出IGBT驱动电路并进行分析第五章是对隔离型IGBT驱动电路的硬件设计部分进行设计，并对该电路的工作原理进行必要的讲解，最后使用MULTISIM软件对该电路进行绘制。2IGBT的基本结构及IGBT模块选型21IGBT的结构及工作原理IGBTINSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。IGBT的结构剖面图如图1所示，IGBT在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N基板（漏极）上增加了一个P基板（IGBT的集电极），形成PN结J1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。正是由于IGBT是在N沟道MOSFET的N基板上加一层P基板，形成了四层结构，由PNPNPN晶体管构成IGBT。但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。图1IGBT的结构剖面图由图1可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图2所。图2N沟道IGBT的简化等效电路和电气图形符号电路图图中RFF是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。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。图3P沟道IGBT的简化电气图形符号对于P沟道，图形符号中的箭头方向恰好相反，如图3所示。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，从P区注到N区进行电导调制，减少N区的电阻RFF值，使高耐压IGBT也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定IGBT栅极与发射极之间的电压；IGBT集电极与发射极之间的电压；流过IGBT集电极发射极的电流；IGBT的结温。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。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P区注到N区进行电导调制，减少N区的电阻RDR值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流跟驱动功率都非常小，可直接与模拟或数字功能快相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通和关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于UGETH时IGBT导通。当栅极和发射极施加反向或不加信号时，IGBT被关断。IGBT和普通三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，起主要作为开关器件应用。在驱动电路主要研究饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。22IGBT的基本工作特性IGBT的静态特性如下IGBT的伏安特性如图4（A）所示，伏安特性是以栅射电压UGE为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性也可分为饱和区、放大区和击穿区三个部分。在正向导通的大部分区域内，IC与UCE呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。对应着伏安特性明显弯曲部分，这时IC与UCE呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。开关器件IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。IGBT的转移特性是指集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系曲线。如图4B所示，它与MOSFET的转移特性相同，当栅射电压小于开启电压UGETH时，IGBT处于关断状态。当UGEUGETH时,导通IGBT在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。图4IGBT的伏安特性和转移特性IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通状态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值基地。尽管等效电路图为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压UDSON可用下式表示（2OHDFJONRIU1DS1）式中UJ1JI结的正向电压，其值为071V；UFF扩展电阻RFF上的压降；ROH沟道电阻。通态电流IDS可用下式表示（22）MOSPNIB1IDS式中IMOS流过MOSFET的电流。由于N区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为23V。IGBT的动态特性如下图5是IGBT开关过程的波形图。IGBT在开通过程与电力MOSFET的开通过程很相似。这是因为IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的。如图所示，从驱动电压UGE的前沿上升至其幅值的10的时刻，到集电极的电流IC上升至其幅值的10的时刻止，这段时间为开通延迟时间TDON，而IC从10ICM上升至90ICM所需的时间为电流的上升时间TR。同样，开通时间TON为开通延时时间与上升时间之和。开通时，极射电压UCE的下降过程由TFU1和TFU2两段。前者为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；后者为MOSFET何PNP晶体管同时工作的电压下降过程。由于UGE下降时IGBT的MOSFET栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此,TFU1段电压下降过程变缓。只有在TFU2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态。图5IGBT的开关过程IGBT关断时，从驱动电压UGE的脉冲后沿下降到其幅值的90的时刻起，到集电极电流下降到90ICM止，这段时间为关断延时时间TDOFF；集电极电流从90ICM下降到10ICM的这段时间为电流下降时间。二者之和为关断时间TOFF。电流下降时间可以分为TF1和TF2两段。其中TF1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程。这段时间集电极电流IC下降较快；TF2对应IGBT内部的PNP的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少子复合缓慢，造成IC下降较慢。IGBT的擎住效应IGBT为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间存在个体区短路电阻，P型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对J3结相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不会使NPN晶体管导通；当IC大到一定程度时，该偏置电压使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。23IGBT模块选型目前市场上面的IGBT模块产品很多，例如三菱、富士、东芝、三社、西门子、英飞凌，IR等品牌。例如三菱的H系列（标准型）中高压大电流的CM600HA24H型号为一单元的IGBT模块可以承受的最大电压值为1200V，最大电流值为600A，工作电路中的栅极电阻RG可选取为左右。三菱的NFH系列中的CM600DU24NFH的最大耐压12值和最大电流值与CM600HA24H模块相同，但是CM600DU24NFH模块是双单元结构，而且其栅极电阻RG的取值范围为。现在常用大功率的IGBT模块中，双单元502的模块为主流趋势。本次设计选取的是IGBT模块为英飞凌的FF450R12KT4,其也是双单元模块，该模块的最大的电压值为1200V，最大电流值为450A，开关频率为20KHZ，其驱动电路中的栅极电阻RG在左右。其模块内的连接电路图如图6所示。3图6FF450R12KT4模块电路图3IGBT驱动研究31驱动电路设计要求栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。当正向驱动电压增大时,IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12VUGE15V为好。栅极负偏置电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般负偏置电压选5V为宜。另外，IGBT开通后驱动电路应提供足够的电压和电流幅值，使IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和导通区而损坏。IGBT快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下IGBT的开关频率不宜过大，因为高速开通和关断时，会产生很高的尖峰电压，极有可能造成IGBT或其他元器件被击穿。选择合适的栅极串联电阻RG和栅射电容CG对IGBT的驱动相当重要。RG较小，栅射极之间的充放电时间常数比较小，会使开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；RG较大，有利于抑制DVCE/DT但会增加IGBT的开关时间和开关损耗。合适的CG有利于抑制DI/DT，CG太大，开通时间延时，CG太小对抑制DIC/DT效果不明显。当IGBT关断时，栅射电压很容易受IGBT和电路寄生参数的干扰，使栅射电压引起器件误导通，为防止这种现象发生，可以在栅射间并接一个电阻。此外，在实际应用中为防止栅极驱动电路出现高压尖峰，最好在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值应与正负栅压相同。32IGBT的驱动电路选型阻尼滤波门极驱动电路，为了消除可能的振荡现象，IGBT的栅射极间接上RC网络组成阻尼滤波器且连线采用双绞线。为使IGBT能稳定工作,IGBT驱动电路采用正负偏压双电源工作方式。门极驱动电路的输出线为绞合线。为抑制输入信号的振荡现象,在门源端并联一阻尼网络,由1电阻和033F电容器组成阻尼振荡器。另外,驱动电路的输出级与IGBT的输入端之间的连接串有一只10的门极电阻，其电路图如图7所示。图7阻尼滤波电路光耦合器门极驱动电路，输入信号UI经光电耦合器隔离后引入驱动电路，经放大器放大由推换电路V2、V3向IGBT提供门极驱动信号。V2通过UC得到一个正向门极电压，当V2截止，V3导通时得到一个负的门极电压并截止。另外设计了过电流保护装置。当过电流信号来时，IGBT脱离饱和状态，UDS升高，VD1检测到该信号，一方面通过光耦V1向控制回路发信号，另一方面在较短的时间内降低门极电压使IGBT关断。日本富士公司的EXB84系列采用这种驱动器形式。光耦合门极驱动电路如图8所示。图8光耦合门极驱动电路脉冲变压器直接驱动IGBT的电路，由于是电磁隔离方式，驱动级不需要专门直流电源，简化了电源结构。由控制脉冲生成单元产生的脉冲信号经晶体管V进行功率放大后加到脉冲变压器T，并由T隔离耦合经稳压管VDZ1，VDZ2限幅后驱动IGBT驱动级不需专门的直流电源，简化了电路结构，且工作频率高，可达10KHZ左右。其电路图如图9所示。图9脉冲变压器驱动电路33IGBT驱动电路中栅极电阻的研究331栅极电阻的作用消除栅极振荡，绝缘栅器件IGBT、MOSFET的栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强的振荡，因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。转移驱动器的功率损耗，电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内部的输出管上，使其温度上升很多。调节功率开关器件的通断速度，栅极电阻小，开关器件通断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，严重的将使整个装置无法工作，因此必须统筹兼顾。332栅极电阻的选取栅极电阻阻值的确定，各种不同的考虑下，栅极电阻的选取会有很大的差异。不同品牌的IGBT模块可能有各自的特定要求，可在其参数手册的推荐值附近调试。栅极电阻功率的确定，栅极电阻的功率由IGBT栅极驱动的功率决定，一般来说栅极电阻的总功率应至少是栅极驱动功率的2倍。IGBT栅极驱动功率PFUQ，其中F为工作频率；U为驱动输出电压的峰峰值；Q为栅极电荷，可参考IGBT模块参数手册。例如，常见IGBT驱动器如TXKA101输出正电压15V，负电压9V，则U24V，假设F10KHZ，Q28C,则可计算出P067W，栅极电阻应选取2W电阻，或2个1W电阻并联。333设置栅极电阻的注意事项尽量减小栅极回路的电感阻抗，这就要使得驱动器靠近IGBT减小引线长度，同时驱动的栅射极引线绞合，并且不要用过粗的线，而且线路板上的两根驱动线的距离尽量靠近，还有栅极电阻使用无感电阻；如果是有感电阻，可以用几个并联以减小电感。IGBT开通和关断选取不同的栅极电阻。通常为达到更好的驱动效果，IGBT开通和关断可以采取不同的驱动速度，分别选取RGON和RGOFF（也称RG和RG）往往是很必要的。IGBT驱动器有些是开通和关断分别输出控制，只要分别接上RGON和RGOFF就可以了。有些驱动器只有一个输出端，这就要在原来的RG上再并联一个电阻和二极管的串联网络，用以调节2个方向的驱动速度。在IGBT的栅射极间接上RGE10100K电阻，防止在未接驱动引线的情况下，偶然加主电高压，通过米勒电容烧毁IGBT。所以用户最好再在IGBT的栅射极或MOSFET栅源间加装RGE。334栅极电阻和IGBT的关系讨论栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗、反向偏置安全运行区域、短路电流安全运行区域、EMI、DV/DT、DI/DT和续流二极管的反向恢复电流。栅极电阻必须按照各个应用参数仔细选择和优化，如IGBT技术、二极管、开关频率、损耗、应用布局、电感/杂散电感、直流环节电压和驱动能力。下面以西门康公司的AN7003IGBT12为例进行对栅极电阻的讨论。IGBT开关特性与RG，每个IGBT的开关特性的设定可受外部电阻RG的影响。由于IGBT得输入电容在开关期间是变化的，必须被充放电，栅极电阻由通过的限制导通和关断期间栅极电流（IG）脉冲的幅值需要多长时间来决定。图10导通和关闭的栅极电流流向由于栅极峰值电流的增加，导通和关断的时间将会缩短且开关损耗也将会减少。减少RGON和RGOFF的组织会影响栅极峰值电流。下列图表显示开关损耗和开关时间依赖于选定的栅极电阻。图11开关损耗和开关时间与RG的关系当减小栅极电阻的阻值时，需要考虑的是当大电流被过快地切换时所产生的DI/DT。这是由于电路中存在杂散电感，它在IGBT上产生的电压尖峰，该电涌电压可由下式估计。（3TIDL/VSTARY1）这一部分影响可在下图的IGBT关断是的波形上观察到。图中的阴影部分显示了关断损耗的相对值。集电极发射极电压上的瞬间电压尖峰可能会损坏IGBT，特别是在短路关断操作的情况下，因为DI/DT比较大。正如下图所示，可通过增加栅极电阻的阻值来减小VSTARY。因此，消除了出于过电压而带来的IGBT被损坏的风险。图12IGBT开通和关断波形图根据半桥配置中上臂IGBT（上部）和下管IGBT（下部）间的互锁/死区时间，栅极电阻对延迟时间的影响要加以考虑。大的RGOFF增加IGBT的下降时间，这