【自动化】igbt特性研究及驱动、缓冲电路设计

本科生毕业设计论文任务书学生姓名专业班级自动化0601班指导教师工作单位自动化学院设计论文题目IGBT特性研究及驱动、缓冲电路设计设计（论文）主要内容了解和熟悉目前国内外IGBT产品现状和技术现状，分析IGBT结构、工作原理以及工作特性。研究和设计多种IGBT驱动电路、保护电路，并对比分析。针对具体一款IGBTFF600R06ME3设计其驱动电路及缓冲电路。要求完成的主要任务1了解研究IGBT的目的以及意义，产品和技术的发展现状；2IGBT驱动电路的设计；3IGBT保护、缓冲电路的设计；4针对FF600R06ME3IGBT设计其驱动电路，要求正向开通电压15V，反向截止电压15V，工作频率20K，可驱动IGBT承受导通电流600A，耐压600V。5撰写毕业设计论文，字数不低于15000左右；6完成外文文献翻译2万字符（其中汉字5000字）。必读参考资料1王兆安电力电子技术M北京机械工业出版社,20082周志敏IGBT和IPM及其应用电路M北京人民邮电出版社,20063王飞军IGBT关断特性分析及设计优化问题D浙江大学微电子与半导体系,19904陈去非绝缘栅双极晶体管（IGBT）的研究静态、动态和终端模型及优化设计D浙江大学电力电子技术,19935李岳生IGBT开关磁阻电动机调速系统研究D上海工业大学工业自动化,1994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）国内外的研究现状分析IGBT广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。而IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术。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。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。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。电力电子器件的缓冲电路又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件（如GTR、GTO、功率MOSFET和IGBT等）的应用技术中起着重要的作用。晶闸管开通时，为了防止过大的电流上升率而烧坏器件，往往在主电路中串入一个扼流电感，以限制过大的DI/DT，串联电感及其配件组成了开通缓冲电路，或称串联缓冲电路。晶闸管关断时，电源电压突加在管子上，为了抑制瞬时过电压和过大的电压上升率，以防止晶闸管内部流过过大的结电容电流而误触发，需要在晶闸管的两端并联一个RC网络，构成关断缓冲电路，或称并联缓冲电路。本文研究的目的及意义电力电子技术在当今急需节能降耗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。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。本文从了解IGBT结构、工作原理、工作特性着手，研究了IGBT驱动和保护电路的设计和要求，解决了IGBT驱动和保护电路的选择及设计问题。2、基本内容和技术方案基本内容查阅文献资料，在了解和熟悉目前国内外IGBT产品现状和技术现状的基础上，完成毕业设计相关的外文翻译2万字符（其中汉字5000字）。然后从了解IGBT结构、工作原理，以及IGBT的工作特性，包括静态特性和动态特性，以及研究IGBT的意义着手，研究了驱动电路和保护电路的了解及设计，包括驱动电路的选择、要求、分类，保护电路的分类及作用以及几种典型的驱动电路、常用的保护电路的介绍。针对FF600R06ME3这款IGBT设计其驱动电路。在此基础上完成字数不少于15万字的毕业设计论文。技术方案一、了解IGBT，以及研究IGBT的意义，产品发展现状，技术现状，分析出IGBT的技术走向。二、了解IGBT的结构、工作原理以及工作特性。了解IGBT的工作特性才能更好的设计驱动、保护电路。三、驱动电路、保护电路的了解及设计，典型的驱动、保护电路介绍。四、针对FF600R06ME3这款IGBT设计驱动电路，所设计的电路满足驱动这款IGBT的要求。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68周硬件电路设计及仿真；第9周中期检查；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、指导教师意见盛浩同学调研比较充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生按计划能达到预期的目标，同意进入设计阶段。指导教师签名年月日目录摘要1ABSTRACT21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工作原理及特性研究621IGBT的定义622IGBT的结构和工作原理7221IGBT的结构7222IGBT的工作原理723IGBT工作特性9231静态特性9232动态特性9233IGBT的开通与关断103IGBT驱动及缓冲1231IGBT驱动电路的选择1232门极驱动的要求及电路设计14321栅极驱动电压14322对电源的要求14323对驱动波形的要求14324对驱动功率的要求15325栅极电阻15326栅极布线要求15327隔离问题1533典型的门极驱动电路介绍16331脉冲变压器驱动电路16332光耦隔离驱动电路17333驱动模块构成的驱动电路1734大功率IGBT驱动保护电路的分类18341单一功能型18342多功能型19343全功能型2135大功率IGBT驱动保护电路的功能22351隔离功能22352死区隔离功能23353驱动功率的缓冲功能2336针对FF600R06ME3这款IGBT设计的驱动电路244IGBT保护电路的设计2641IGBT栅极的保护2642集电极与发射极间的过压保护26421直流过电压26422浪涌电压的保护2743集电极电流过流保护2844过热保护29全文总结及展望30致谢31参考文献32摘要全文首先对IGBT的产生和发展过程做了一个大致的介绍，重点突出了IGBT发展的路线，智能化、模块化成为IGBT发展热点。然后介绍了IGBT的结构、工作原理以及工作特性。只有充分了解了IGBT的工作特性，才能更好的设计驱动电路和缓冲电路。在文章的第三章介绍了IGBT的驱动电路的选择、门极驱动的要求，并且列举目前比较典型的集中IGBT驱动电路进行对比分析。本论文第四章对保护电路的着手点、常用的保护电路种类、电路的设计以及性能对比。全文的重点在于IGBT的驱动问题，因为在现今这个社会，能很好的驱动一款IGBT有着重要的意义，能达到节能的目的，适应社会的主题。本论文在研究了IGBT的驱动之后，主要针对FF600R06ME3这款IGBT设计了它的驱动电路。更加具体的研究了怎样选择一款IGBT的驱动器。关键字IGBT；驱动；保护ABSTRACTFULLOFIGBTFIRSTANDTHEDEVELOPMENTPROCESSOFAGENERALINTRODUCTION,FOCUSONTHEDEVELOPMENTOFINTELLIGENTROUTE,IGBTMODULE,IGBTDEVELOPMENTBECOMESHOTTHENTHISPAPERINTRODUCESTHESTRUCTURE,WORKINGPRINCIPLEOFIGBTANDWORKONLYATHOROUGHUNDERSTANDINGOFTHEWORKINGCHARACTERISTICSOFIGBTDRIVINGCIRCUITCANBETTERDESIGNANDBUFFERCIRCUITINTHETHIRDCHAPTEROFIGBTDRIVINGCIRCUITOFCHOICE,THEDRIVERSREQUEST,ANDLISTSTHERELATIVELYTYPICALCONCENTRATIONIGBTDRIVECIRCUITARECOMPAREDANDANALYZEDTHISDISSERTATIONCHAPTERTOPROTECTCIRCUITOFTHECOMMONPOINTS、THEPROTECTIONCIRCUITDESIGNANDTYPE、CIRCUITPERFORMANCETHEKEYLIESINTHETEXT,BECAUSETHEDRIVERIGBTINTODAYSSOCIETY,CANBEAVERYGOODDRIVERAIGBTHASTHEIMPORTANTMEANING,CANACHIEVETHEPURPOSEOFENERGYSAVING,ADAPTSOCIETYSTHEMETHISPAPERSTUDIESTHEIGBTDRIVEINAFTERFF600R06ME3,MAINLYFORTHEDESIGNOFIGBTDRIVINGCIRCUITTHISPAPERTHEMORESPECIFICRESEARCHHOWTOCHOOSEONEIGBTDRIVERKEYWORDSIGBT；DRIVE；PROTECTION1绪论11引言近年来，随着我国经济的持续快速发展，能源消耗日趋紧张，节约能源是我国的基本国策。据报道，全球的电能消耗50来自电动机。当前，在电动机驱动系统中，已经从强电控制进入弱电控制的节能时代。它是机械自动化、控制智能化的关键部件，是节约电能的新型半导体器件。因此，大力发展新型电力电子器件的设计制造以及模块的开发和应用是节约能源的重要措施。IGBT（INSULATEGATEBIPOLARTRANSISTOR）绝缘栅双极晶体管作为新型电力电子器件的代表，是整机系统提高性能指标和节能指标的首选产品。它集高频率、高电压、大电流等优点于一身，是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品。IGBT主要用于逆变器、低噪音电源、UPS不间断电源以及电动机变频调速等领域。IGBT的用途非常广泛，小到变频空调、静音冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器，大到电力机车牵引系统都离不开它。IGBT在军事机载、舰载、雷达等随机系统中也有广泛的用途。与国外相比，IGBT的制造工艺技术至少落后十年，IGBT的国产化形势相当紧迫。因此，开展IGBT的研发工作对我国国民经济和国防工业的发展具有十分重要的意义。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缓冲层而N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。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，从而致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是不对少子寿命进行杀伤的同时有很好的输运效率，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，这使得成本和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1。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1200A/1800V到1800A/3300V，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在当今急需节能降耗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。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。本文正是针对FF600R06ME3这款IGBT的驱动电路的设计来了解IGBT的特性以及IGBT的选择，驱动和保护的问题。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。1）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。2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。3）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。4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。5）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IGBT2。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，因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动GSC功率。小功率VMOS管的一般在10100PF之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由GS于栅极电容较大，在1100NF，甚至更大，因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏GS极到栅极的密勒电容，栅极驱动功率是不可忽视的。DGC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一般较大，因而栅源间的波形GSC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GSV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，以及驱动和缓冲电路的设计，并针对FF600R06ME3这款IGBT设计一种驱动电路以及缓冲电路。本文研究内容如下（1）了解IGBT，以及研究IGBT的意义，产品发展现状，技术现状。在这个节能时代，IGBT的节能优点越来越被人重视。通过IGBT的发展过程，我们能知道IGBT未来的技术走向，以及目前能做出的最高端的产品的参数，以寻求突破。（2）了解IGBT的结构、工作原理以及工作特性。PNPN四层结构使得IGBT的导通能力得到增强。从IGBT的静态特性到动态特性，能方便我们更好的设计驱动和缓冲电路。（3）驱动电路、保护电路的了解及设计。包括驱动电路的选择、要求，保护电路的着手点和常用的保护电路。能很好的驱动一款IGBT的驱动器技能达到驱动的作用，又能起到缓冲的作用。并对FF600R06ME3这款IGBT设计其驱动电路。2IGBT工作原理及特性研究21IGBT的定义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。图21所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，区称为源区，附于其上N的电极称为源极。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。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区（包括和P区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（SUBCHANNELREGION）。而在漏区另一侧的区称为漏注入区（DRAININJECTOR），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成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。IGBT的开关作用是通过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，只需控制输入极沟道MOSFET，所以具有高输入阻N抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从基极注入到层的空穴（少子），对层PN进行电导调制，减小层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。N图21N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构22IGBT的结构和工作原理221IGBT的结构图22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号A）内部结构端面示意图B）简化等效电路C）电气图形符号就IGBT的结构而言，是在N沟道MOSFET的漏极N层上又附加上一层P层的PNPN的四层结构。图22（A）为N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（NIGBT）,IGBT比VDMOSFET多一层注入区，形成了一个大面积的N结使IGBTP1J导通时由注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有P很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管,为晶体管基区内的调制电阻3。NR222IGBT的工作原理N沟型的IGBT工作是通过栅极发射极间加阀值电压以上的（正）电压，在栅THV极电极正下方的层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的层注入电子。该PN电子为晶体管的少数载流子，从集电极衬底层开始流入空穴，进行电导率调制NP（双极工作），所以可以降低集电极发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图22（B）所示，IGBT的符号如图22（C）所示。在发射极电极侧形成寄生晶体管。P若寄生晶体管工作，又变成晶闸管。电流继续流动，直到输出侧PPN停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。为了抑制寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小晶体管的电流放NN大系数作为解决闭锁的措施。具体地来说，的电流放大系数设计为05以P下。IGBT的闭锁电流为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力LIMOSFET基本相同，通断由栅射极电压决定。GEUIGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了基P片和一个缓冲层（NPT非穿通IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFETN驱动两个双极器件。基片的应用在管体的和区之间创建了一个结。当正栅偏压PN1J使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在07V范围内，那么，将1J处于正向偏压，一些空穴注入区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑，一个电子流MOSFET电流和另一个空穴电流（双极）。大于GEU开启电压时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。而所THUGE谓的导通压降就是电导调制效应使电阻减小，使通态压降小。NR当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入区内。N在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题功耗升高和交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、和密切相关的空CIEV穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与、和有关。CEVICT栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。当集电极被施加一个反向电压时，就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向区扩1JN展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降；当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N结受反向电压控制。此时，仍然是3J由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别第一，当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现；第二，只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施一是防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别；二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益；此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为15。23IGBT工作特性231静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性3。IGBT的伏安特性是指以栅源电压为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系GSU曲线。输出漏极电流比受栅源电压的控制，越高，越大。它与GTR的输出特GSGSDI性相似。也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由结承担，反向电压由结承担。如果无缓冲区，则正反向阻断电压可以做到2JJN同样水平，加入缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的N某些应用范围。IGBT的转移特性是指输出漏极电流与栅源电压之间的关系曲线。它与DIGSUMOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压时，IGBT处于关断状态。在THGSIGBT导通后的大部分漏极电流范围内，与呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极DIGS电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压可用下式表示ONUDS（21）OHDRJDSRIUON1式中，为结的正向电压，其值为071V；为扩展电阻上的压降；1JUJDRDRR为沟道电阻。OHR通态电流可用下式表示DSI（22）MOSPNDSIBI1式中，为流过MOSFET的电流。MOS由于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N压降为23V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在5。232动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压下DSU降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。为开通延迟时ONTD间，为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间即为之和。漏RITRIT源电压的下降时间由和组成。1FET2FIGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，为关断延迟时间，OFTD为电压的上升时间6。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间由图中的RVTFUDSFT和两段组成，而漏极电流的关断时间1FT2FT23FTOFTFTRVD式中，与之和又称为存储时间。OFTDRVTIGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低7。正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。UM1233IGBT的开通与关断IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行，如图23。图23IGBT的开关过程IGBT的开通过程图中，开通延迟时间是指从上升至其幅值10的时刻，到上升至10ONTDGEUCI的时间；电流上升时间为从10上升至90所需时间；开通时间为开CMIRCICMICMIONT通延迟时间与电流上升时间之和。的下降过程分为和两段其中为IGBTCEU1FVT2F1FVT中MOSFET单独工作的电压下降过程；为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下2FVT降过程。IGBT的关断过程图中，关断延迟时间是指从后沿下降到其幅值90的时刻起，到下降至OFTDGEUCI90；电流下降时间为从90下降至10；关断时间为关断延迟时间与CMICICMICMIOFT电流下降时间之和。电流下降时间又可分为和两段其中为IGBT内部的1FIT2FI1FIMOSFET的关断过程，下降较快；为IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，下降CI2FITCI较慢8。IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。3IGBT驱动及缓冲基于模块化设计思想，本文总体电路分为几个模块进行驱动电路、缓冲电路，主体电路，其中驱动电路是本文重点，它包括门极电荷的计算，栅极电阻的计算，栅极电阻功率的计算。下面对各功能模块进行设计。31IGBT驱动电路的选择绝缘栅双极型晶体管IGBT在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用，在实际使用中除IGBT自身外，IGBT驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致IGBT和驱动器损坏。以下总结了一些关于IGBT驱动器输出性能的计算方法以供选型时参考。IGBT的开关特性主要取决于IGBT的门极电荷及内部和外部的电阻。图31是IGBT门极电容分布示意图，其中是栅极发射极电容、是集电极发射极电容、是GECCEGC栅极集电极电容或称米勒电容（MILLERCAPACITOR）。门极输入电容由和来表IESCGEC示，它是计算IGBT驱动器电路所需输出功率的关键参数。该电容几乎不受温度影响，但与IGBT集电极发射极电压的电压有密切联系。在IGBT数据手册中给出的电容CEV的值，在实际电路应用中不是一个特别有用的参数，因为它是通过电桥测得的，在测IESC量电路中，加在集电极上C的电压一般只有25V有些厂家为10V，在这种测量条件下，所测得的结电容要比实际时要大一些。由于门极的测量电压太低而E60VGE0不是门极的门槛电压，在实际开关中存在的米勒效应（MILLER效应）在测量中也没有被包括在内，在实际使用中的门极电容值要比IGBT数据手册中给出的电容值大很多。INIESC因此，在IGBT数据手册中给出的电容值在实际应用中仅仅只能作为一个参考值使用IES9。图31IGBT内部电容分布示意图要确定IGBT的门极电荷，对于设计一个驱动器来说，最重要的参数是门极电荷门极电压差时的IGBT门极总电荷，如果在IGBT数据手册中能够找到这个参数，GQ那么就可以运用公式计算出门极驱动能量（31）OFVNQUEGGEG门极驱动功率（32）SWSWFP驱动器总功率（驱动器的功耗）（33）平均输出电流（34）SWGEGOUTAVFI最高开关频率（35）CMIFOUTSAX峰值电流（36）MININMGGROFVRU其中的（37）ERGEXTRNRTIN式中，为最高开关频率；为单路的平均电流；为门极电压差时的AXSWFOUTAIQIGBT门极总电荷；为IGBT外部的门极电阻；为IGBT芯片内部的门极电EXTRNERNGIT阻。但是实际上在很多情况下，数据手册中这个门极电荷参数没有给出，门极电压在上升过程中的充电过程也没有描述。这时候最好是按照IEC6074792001SEMICONDUCTORDEVICESDISCRETEDEVICESPART9INSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTORSIGBT所给出的测试方法测量出开通能量，然后再计算出。EGQ38GETEUDI这种方法虽然准确但太繁琐，一般情况下可以简单地利用IGBT数据手册中所给出的输入电容值近似地估算出门极电荷。IESC如果IGBT数据表给出的的条件为,，那么可以近IESCVCE25GE0MHZF1似的认为，门极电荷IESIN54（39）5454IESGIESGEOFNUQ如果IGBT数据表给出的的条件为,，那么可以近似ICE1GEZF的认为，门极电荷IESINC231022IESGIESGEFV如果IGBT数据手册中已经给出了正象限的门极电荷曲线，那么只用近似计算负IESC象限的门极电荷会更接近实际值，门极电荷31154054IESGGIESGEGCOFNQCUONQ适用于的测试条件为,的IGBT，门极电荷IESCV2EMHZF13122IESIESFV适用于的测试条件为,的IGBT当为各个应用选择IESCE10GFIGBT驱动器时，必须考虑下列细节一，驱动器必须能够提供所需的门极平均电流及门极驱动功率，驱动器的最大平均输出电流必须大于计算值；二，驱动器的OUTAVIGP输出峰值电流必须大于等于计算得到的最大峰值电流；三，驱动器的最大输出门OUTEAKI极电容量必须能够提供所需的门极电荷以对IGBT的门极充放电。在POWERSEM驱动器的数据表中，给出了每脉冲的最大输出电荷，该值在选择驱动器时必须要考虑。另外在IGBT驱动器选择中还应该注意的参数包括绝缘电压和能力。IOISOV1DTV32门极驱动的要求及电路设计321栅极驱动电压因IGBT栅极发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行驱动，但IGBT的输入电容较MOSFET大，所以IGBT的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。在20情况下，实测60A，1200V以下的IGBT开通电压阀值为56V，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取，当增加时，导通时集射电压将减小，THUGEGC351GECEU开通损耗随之减小，但在负载短路过程中增加，集电极电流也将随之增加，使得GECIIGBT能承受短路损坏的脉宽变窄，因此的选择不应太大，这足以使IGBT完全饱和，GCU同时也限制了短路电流及其所带来的应力在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT时，在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力10。GEU322对电源的要求对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT关断时产生的误使IGBT导通，应加上一个5V的关栅电压，以确保其完全DTU可靠的关断过大的反向电压会造成IGBT栅射反向击穿，一般为210V之间。323对驱动波形的要求从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使IGBT快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在IGBT关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成IGBT或其他元器件被过压击DTIL穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及吸收电路性能综合考虑。TU324对驱动功率的要求由于IGBT的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出（313）GGGEGPRUI式中，；是IGBT内部电阻；是栅极电阻。GEGEURG驱动电源的平均功率为（314）FCPGEAV2式中，为开关频率；为栅极电容。FGE325栅极电阻为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT集电极的电压尖峰，应在IGBT栅极串上合适的电阻。当增大时，IGBT导通时间延长，损耗发热加剧；GRG减小时，增高，可能产生误导通，使IGBT损坏。应根据IGBT的电流容量和电GRDTI压额定值以及开关频率来选取的数值。通常在几欧至几十欧之间在具体应用中，还应GR根据实际情况予以适当调整。另外为防