IGBT模块驱动电路

1、实用标准文档IGBT模块的使用和安装1.简介IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），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MOSFE的高输入阻抗和GTR勺低导通压降两方面的优点。GTRfi和压降低，载流密度大， 但驱动电流较大；MOSFE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。GBT（I nsulated Gate Bi polarTra nsistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）

2、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MOSFE的高输入阻抗和GTR勺低导通压降两方面的优点。GTF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。IGBT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1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+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

3、型区（包括P+和P 区）（沟 道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region ）。而在漏区另一侧的 P+区称为 漏注入区（Drain injector ），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MOSFETS本相同，只需控制输入极N沟道MOSFET 所以具有高输入阻抗特性。

4、当 MOSFE的沟道形成后，从P+基极注入到N 层的空穴（少 子），对N 层进行电导调制，减小 N 层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通 态电压。2.发展历史1979年，MOSB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（P-N-P-N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 MOSFE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。2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

5、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3。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMO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。4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

6、非穿 通（NP T）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“成本一性能”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6，它采用了弱穿 通（LPT）芯片结构，又采用了更

7、先进的宽元胞间距的设计。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/1800 3300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车 WVF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

8、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。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，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。IGBT是绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）,它是八十年代初诞生，九十年代迅速发展起来的新型复合器件。IGBT将MOSFE与GTR的优点集于一身，既 有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流 的优点。

9、因此，IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破；应用频率硬开关5KHl40KHz软开关40KHL150KHZ功率从五千瓦到几百千瓦的应用场合。IGBT器件将不断开拓新的 应用领域，为高效节能、节材，为新能源、自动化和智能化提供了新的机遇。为了使初次 使用者正确用好IGBT模块，最大限度地发挥IGBT模块的作用，以下是最基本的使用说明。 依据装置负载的工作电压和额定电流以及使用频率，选择合适规格的模块。用户使用模块前 请详细阅读模块参数数据表，了解模块的各项技术指标；根据模块各项技术参数确定使用 方案，计算通态损耗和开关损耗，选择相匹配的散热器及驱动电路。3. IGBT模块的使用1.防止静电IGB

10、T是静电敏感器件，为了防止器件受静电危害，应注意以下两点：IGBT 模块驱动端子上的黑色海绵是防静电材料，用户用接插件引线时取下防静电材料立即插上 引线；在无防静电措施时，不要用手触摸驱动端子。驱动端子需要焊接时，设备或电烙铁一定要接地。2.选择和使用文案大全请在产品的最大额定值（电压、电流、温度等）范围内使用，一旦超出最大额定值，可能损坏产品，特别是IGBT外加超出Vces的电压时可能发生雪崩击穿现象从而使元件损坏， 请务必在Vces的额定值范围内使用！工作使用频率愈高，工作电流愈小；源于可靠性的原 因，必须考虑安全系数。如果使用前需要测试请务必使用适当的测试设备，以免测试损坏（特别是IGB

11、T和FRED莫块需要专业的测试设备，请勿使用非专业的设备测试其电压的最 大值）。 驱动电路：由于IGBT Vce（sat）和短路耐量之间的折衷关系，建议将栅极电压选为 +VG=14 15V, -VG=5- 10V,要确保在模块的驱动端子上的驱动电压和波形达到驱动要求； 栅极电阻Rg与IGBT的开通和关断特性密切相关，减小 Rg值开关损耗减少，下降时间减 少，关断脉冲电压增加；反之，栅极电阻Rg值增加时，会增加开关损耗，影响开关频率；应根据浪涌电压和开关损耗间最佳折衷（与频率有关）选择合适的Rg值，一般选为5Q至 100Q之间。为防止栅极开路，建议靠近栅极与发射极间并联20K30KQ电阻。驱动布

12、线要尽量短且采用双绞线；在电源合闸时请先投入驱动控制部分的电源，使其驱动电路工作 后再投入主电路电源。 保护电路：IGBT模块使用在高频时布线电感容易产生尖峰电压，必须注意减少布线电 感和元件的配置，应注意以下保护项目：过电流保护、过电压保护、栅极过压及欠压保护、 安全工作区、过温保护。 吸收电路：由于IGBT开关速度快，容易产生浪涌电压，必须设有浪涌钳位电路。 并 联使用：应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。使用时请避开产生腐蚀气体和严重尘埃的场所。安装散热器应根据使用环境及模块参数进行匹配选择，以保证模块工作时对散热器的要求。热阻，推荐在散热器与模块之间涂上一

13、层很薄的导热硅脂, 看出有少许导热硅脂挤出为最佳。散热器表面的光洁度应小于10mm每个螺丝之间的平面扭曲小于 10mm为了减少接触 模块均匀受力后，从模块边缘可 模块安装在散热器上时，螺钉需用说明书中给出的力矩拧紧。力矩不足导致热阻增4.IGBT模块IGBT是In sulated Gate Bi polar Tran sistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFE和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有 MOSFE器件驱动功率小和开关速度快的优点，又 具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于M

14、OSFE与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在 较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱 动正电压，则MOSFE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MOS截止，切断PNP晶体管基极电流的 供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFE一样也是电压控制型器件，在它的栅极一发射极 间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。1. IGBT的等效电路CE2 IGBT模

15、块的选择IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互 关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开 关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是 用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。3使用中的注意事项由于IGBT模块为MOSFE结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。 由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到 2030V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失 效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点：要先将人体但栅极连线的 为此，通常在使用模块时，尽

16、量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时， 或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸； 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压， 寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡 电压。此外，在栅极一发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极 电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如 果集电极与发射极间存在高电压

17、，则有可能使 IGBT发热及至损坏。在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时 （栅极处于开路状态）， 若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接 一只10KQ左右的电阻。在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程 度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装 有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。4保管

18、时的注意事项一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为535r , 常湿的规定在4575%左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿 ；尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合；在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此 IGBT模块应放在温 度变化较小的地方；保管时，须注意不要在IGBT模块上堆放重物；装IGBT模块的容器，应选用不带静电的容器。5.选择方法5.1选择IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下 表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增 大，使原件

19、发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。5.2测量静态测量：把万用表放在乘100档,测量黑表笔接1端子、红表笔接2端子,显示电阻应为无 穷大；表笔对调，显示电阻应在400欧左右.用同样的方法，测量黑表笔接3端子、红表笔接 1端子，显示电阻应为无穷大；表笔对调，显示电阻应在400欧左右.若符合上述情况表明此 IGBT的两个单元没有明显的故障.动态测试：把万用表的档位放在乘10K档，用黑表笔接 4端子，红表笔接5端子，此时黑表笔接3端子红表笔接1端子，此时电阻应为300-400殴, 把表笔对调也有大约300-4

20、00殴的电阻表明此IGBT单元是完好的.用同样的方法测试1、 2端子间的IGBT,若符合上述的情况表明该IGBT也是完好的。将万用表拨在RX10KQ挡，用黑表笔接IGBT的漏极(D)，红表笔接IGBT的源极(S)，此时万用表的指针指在无穷处。 用手指同时触及一下栅极(G)和漏极(D)，这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值 较 小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下源极(S)和栅极(G)，这时IGBT被阻断，万用表的指针回到无穷处。此时即可判断IGBT是好的。注意：若进第二次测量时，应短接一下源极(S)和栅极(G)。任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。注意判断IGB

21、T好坏时，一定要将万用表拨在 RX 10KQ挡，因RX1K Q挡以下各档万用表 内部电池电压太低，检测好坏时不能使 IGBT导通，而无法判断IGBT的好坏。5.3注意事项由于IGBT模块为MOSFE结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由 于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到 2030V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效 的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点： 在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人 体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸 ； 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好

22、接地的情况下操作。在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电 感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双 绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。 此外，在栅极一发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的 变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电 极与发射极间存在高电压，则有可能使 IGBT发热及至损坏。在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状态），若在主回 路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防

23、止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KQ左右的电阻。在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为 了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热 风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，5.4当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作事项。 一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为535r，常湿的规定在4575%左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿 ； .尽

24、量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合； 在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此IGBT模块应放在 温度变化较小的地方； 保管时，须注意不要在IGBT模块上堆放重物； .装IGBT模块的容器，应选用不带静电的容器。 检测IGBT模块的的办法。6.IGBT试用驱动电路图办碍1 乂A*g-n* 沪2nmnWli誨!IIHIEX9F1K36覆砂丄*4-igj舶垃a114ja 1町帕比I尸I gijma I 0133r5=：ies.LR1IIJO2.MS 岡 ion +A程rWs1n Shows IheofT cbmonsumHC1|（；町U管模块引岀胆Adju*lTtnwr Si3Wn*0FiBgCumrri FlagTop Chip3PTI npul.置 ，ir74HCdhW齐略斤3-阪：f ：f齐 店斤Jkzi-EN帀VIN电怖ItNVOUlGMitlTHISICAPrVCOV-LM刑二柑 33 nv1R I工口IHFL*SI - pI-lWflSCji-m-r34 烁!i制 Kjt电讯勺爲im遂电土3电业J冬畑 *1?时Ml J*黄a Zb襄-H-口M 口 !iB|Qi-M 农I22 2S2S空*怎RF=R xibX