IGBT管性能和应用讲座

1、IGBT管性能和应用讲座作者:佚名文章来源:扬州机电维修网点击数:325 更新时间:2006-6-11功率场效应管MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点;但是,较大的通态电阻使它的最大导通电流容量受到限制.因此MOSFET只能用作中小功率开关元件。而GTR和GTO是双极型元件,它们具有阻断电压高、导通电流大的优点,但是,它们的开关速度慢,要求的驱动电流大.控制电路比较复杂。显然,这些开关器件各有优缺点。而其中MOSFET在GTR的不足之处表现得很优秀,在GTR优秀的地方却表现得有些不足。于是人们开始研究一种能同时包含MOSFET 和GTR的优点的新型开关元件,

2、这就是绝缘栅双圾晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT。绝缘栅双级晶体管是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件。图224是N沟谊IGBT的等效电路和符号。从图224(a中可以看出.它是由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR 组成,它实际是以GTR为主导元件,以MOSFET为驱动元件的复合管。图224(b的符号中,G代表栅极,C代表集电极,E代表发射极,P沟道的IGBT符号的箭头方向与此相反。绝缘栅双极晶体管从1986年至今,发展得非常迅速、日前已经被广泛的应用于各种逆变器中,成为取代GTR的理想开关器件。一.绝缘栅双极晶体管的

3、特性和参数绝缘栅双极晶体管的输出特性类似于GTR的输出特性,绝缘栅双极晶体管的转移特性类似于MOSFET的转移特性,这里不再叙述。1.通态电压降图225为高速IGBBT(50A/600 V和高速MOSFET(50 A/500V的通态电压降比较。MOSFET的通态电压降在全电流范围内为正温度系数、而IGBT通态电压降在小电流范围内为负温度系数,在大电流范围内为正温度系数。2.关断损耗图226是在感性负载时,高速IGBT与MOsFET的关断损耗与集电极电流的关系。由图可知*常温下,IGBT的关断损耗与MOSFET的大致相同。高温时,MOSFET的关断损耗基本不变,与温度无关,而IGBT 则不然,温

4、度每增加100,损耗增大约2倍。因此,IGBT的关断损耗要大些。3.开通损耗在电动机的驱动电路系统中,要接人续流二极管,而续流二极管的反向恢复特性将影响IGBT的开通损耗,使用快速恢复二极管将降低IGBT的开通损耗。图227是IGBT与MOSFET的开通损耗比较。4.安全工作区(1擎住效应IGBT为四层结构.这使其体内存在一个寄生晶体管,其等效电路如图2-28所示同时,在这个寄生晶体管的基极与发射极之间并联个扩展电阻Rb 当IGBT的集电极与发射极之间有电流Ic流过时,在此电阻上将产生正向偏臵电压。不过.在规定的IGBT集电极电流Ic 范围内,这个正向偏臵电压不大,对寄生晶体管不起作用。但当集

5、电极电流Ic达到一定程度的时候.该正向偏臵电压足以使寄生晶体管导通,进而使V2和V3都处于饱和状态.栅极失去控制作用,这就是所谓擎住效应。IGBT发生擎住效应后,集电极电流Ic增大.造成过大的功耗,导致器件损坏。可见,集电极电流有一个临界值Icm,当Ic >Icm时.便会发生擎住效应。为此规定了集电极通态电流的最大佰Icm以及相应的栅射极间电压的最大值Vcem 超过此界限将发生擎住效应。在IGBT关断的动态过程中,如果dVce/dt过高,产生的位移电流流过扩展电阻Rhr时,也可以产生足以使寄生晶体管导通的正向偏臵电压,形成擎住效应。为了防止擎住现象的发生,使用时要保证IGBT 的电流不要

6、超过Icm值,同时,用增加栅极电阻Rg的方法来延长IGBT 的关断时间,以减小dVce/dt值。值得指出的是,动态擎住所允许的集电极电流比静态擎住所允许的要小,所以生产厂商所规定的Icm值是按动态擎住所允许的最大集电极电流来确定的。2安全工作区安全工作区反映了个开关器件同时承受一定电压和电流的能力.IGBT导通时的正向偏臵安全工作区,是由集电极电流的最大值Icm 集射极电压的最大值Vcem和功耗3条边界极限包围而成的,如图229(a所示。最大集电极电流Icm限制了动态擎住现象的发生;最大集射极电压Vcem限制了IGBT被正向电压击穿,最大功耗则是由最高允许结温所决定,导通时间越长,发热越严重,

7、安全工作区就越小,图229(b是IGBT关断时的反向偏臵安全工作区。它随IGBT关断时的dVce/dt而改变,dVce/dt越高、安全工作区就越小。表24列出了东芝和IXYS公司生产的某种IGBT产品的参数。二 IGBT管的驱动要求1.对栅极的驱动要求IGBT的栅极驱动条件关系到他的静态特性和动太特性,一切都围绕着开关时间、减小开关损耗、保证电路可靠的工作为目标。因此.对IGBT的栅极驱动电路提出如下要求。IGBT与MOSFET都是电压型驱动开关器件.部具有一个2.55v的开栅门槛电压,有个电容性输入阻抗,因此,IGBT对栅极电荷聚集非常敏感。所以,驱动电路必须很可靠,要保证有一条低阻抗值的放

8、电回路.即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。用内阻小的驱动源对栅极电容充、放电,以保证栅极控制电压Vge有足够陡的的前、后沿,使IGBT的开关损耗尽量小。另外,IGBT开通后.栅极驱动源应能提供足够的功率,使IGBT不会中途退出饱和而损坏。驱动电路要能提供高频(几十kHz脉冲信号,来利用IGBT的高频性能。栅极驱动电压必须要综合考虑。在开通过程中,正向驱动电压Vce越大,IGBT通态压降和开通损耗均下降,但负载短路时的电流Ic增大,IGBT能承受短路电流的时间减小,对其安全不利。因此,在有短路过程的应用系统中,栅极驱动电压应选得小些,一般情况下应取1215V。在关断过程中,为了尽快放掉输入电容

9、的电荷.加快关断过程,减小关断损耗,要对栅极施Vge。 栅射极最大反向耐压的限制， 加反向电压一 Vge。但它受 IGBT 栅射极最大反向耐压的限制，所以一 般的原则是： 般的原则是：对小容量 不加反向电压也能工作; 的 IG8T 不加反向电压也能工作;对中容量的 IGBT 加 56v 的反向电 压；对大容量的 IGBT 左右。 要加大到 10 V 左右。 的开关时间不能太短， di 在大电感的负载下， 在大电感的负载下，IGBT 的开关时间不能太短，以限制 didz 所形成的尖峰电压， 所形成的尖峰电压，确 了的安全。 保 IGB 了的安全。 多用于高压场合 所以驱动电路与控制电路一定要严

10、压场合， 由于 IGBT 多用于高压场合， 格隔离. 格隔离. 的自保护功能， 栅极驱动电路应尽可能简单可靠， 栅极驱动电路应尽可能简单可靠，具有 IGBT 的自保护功能，并 有较强的抗干扰 能力。 能力。 产品说明书上给定的数值； 栅极电阻 RG 可选用 IGBT 产品说明书上给定的数值；但当 IGBT 的容量加大时， 的容量加大时，分布 电感产生的浪涌电压与二极管恢复时的振荡电压增大， 电感产生的浪涌电压与二极管恢复时的振荡电压增大，这将使栅极产 生误动作， 生误动作，因此必须选用 较大的电阻，尽管这样做会增大损耗。 较大的电阻，尽管这样做会增大损耗。 2IGBT 专用驱动集成电路 的几乎

11、相同， 原则上 IGBT 的驱动特性与 MOSFET 的几乎相同，但由于两者使用 的范围不同， 多用于大中功率， MOSFET 多用于中小功率， 的范围不同，IG8T 多用于大中功率，而 MOSFET 多用于中小功率，所 以它们的驱动电路也有差异。 一般使用专用集成驱动器， 以它们的驱动电路也有差异。IGBT 一般使用专用集成驱动器，它们集 驱动和保护为一体。 常用的专用集成电路有： 富士公司的 EXB840、 、 EXB840、 841、 驱动和保护为一体。 常用的专用集成电路有： 841 850、 系列;IR 系列； MC35158； 850、85l 系列;IR 公司的 IR2l00 系列

12、；MOTOROLA 公司的 MC35158； UniUC3714、 3715； M57957 M57963 系列。 Uni-trode 公司的 UC3714、 3715； 三菱公司的 M57957M57963 系列。 为例， 下面以富士公司的 EXB840 和三菱公司的 M57962D 为例，介绍 IGBT 的 栅极驱动电路。 栅极驱动电路。 (1EXB840 组成的驱动电路 是一种高速驱动集成电路 40KHz EXB840 是一种高速驱动集成电路最高使用频率为 40KHz能驱 IGBT， 5us。 动 150A/600V 或者 75A/1200V 的 IGBT， 驱动电路信号延迟小于 1 。

13、 5us 供电。 采用单电源 20V 供电。 所示。它主要由输入隔离电路、 EXB840 的功能框图如图 230 所示。它主要由输入隔离电路、驱 功放大电路、过流检测及保护电路以及电源电路组成。 功放大电路、过流检测及保护电路以及电源电路组成。其中输入隔离 电路是由高速光电耦合器组成， 的信号。 电路是由高速光电耦合器组成，可隔离交流 2500V 的信号。过流检测 栅极驱动电平和集电极电压之间的关系， 及保护电路根据 IGBT 栅极驱动电平和集电极电压之间的关系， 检测是 否有过流现象存在。如果有过流， IGBT， 否有过流现象存在。如果有过流，保护电路将慢速关断 IGBT，以防止 过快地关断

14、时而引起因电路中电感产生的感应电动势升高 过快地关断时而引起因电路中电感产生的感应电动势升高 ，使 IGBT IGBT。 外部供电电源变成+15V 集电极电压过高而损坏 IGBT。电源电路将 20V 外部供电电源变成+15V 的开栅电压和- 的关栅电压。 的开栅电压和-5V 的关栅电压。 的引脚定义如下： EXB840 的引脚定义如下：引脚 1 用于连接反偏置电源的滤波电 分别是电源和地； 为驱动输出； 容；引脚 2 和引脚 9 分别是电源和地；引脚 3 为驱动输出；引脚 4 用 于连接外部电容器，以防止过流保护误动作( 于连接外部电容器，以防止过流保护误动作(一般场合不需要这个电 为过流保护

15、输出； 集电极电压监视端； 容；引脚 5 为过流保护输出；引脚 6 为 IGBTT 集电极电压监视端；引 为驱动信号输入端；其余引脚不用。 脚 14 和引脚 15 为驱动信号输入端；其余引脚不用。 所示。 采用 EXB840 集成电路驱动 IGBT 的典型应用电路如图 23l 所示。其 ERA34 是快速恢复二极管。 的栅极驱动连线应该用双绞线， ERA3410 是快速恢复二极管。IGBT 的栅极驱动连线应该用双绞线， 1m， 以防止干扰。 的集电极产生大的电压脉冲 其长度应小 1m， 以防止干扰。 如果 IGBT 的集电极产生大的电压脉冲 可 RG。 增加 IGBT 的栅极电阻阻值 RG。

16、(2M57962L 组成的驱动电路 的原理非常相似。 z， M57962L 与 EXB840 的原理非常相似。 它的最高使用频率为 20kH z， 400A 200A IGBT。 能驱动 400A600V 或者 200A1400V 的 IGBT。驱动电路信号延迟小 5us采用+15V 双电源供电。 于 15us采用+15V 和-10V 双电源供电。 所示。 M57962L 的工作原理团如图 232 所示。与 EXB840 不同的是它的 保护电路。 IGBT 能承受短路的时间小于 l0us l0us 保护电路。 因此短路保护应在 l0us 内完成。 采用了快速保护的措施。 内完成。M57962L

17、 采用了快速保护的措施。当它检测到 IGBT 的栅极电 压和集电极电压同时为高电平时，就认为负载短路存在， 压和集电极电压同时为高电平时，就认为负载短路存在，立即降低栅 极驱动电压， 脚输出故障信号， 的时间。 极驱动电压，并从 8 脚输出故障信号，这一过程用 26us 的时间。经 的延时后， 如果保护电路输入信号恢复低电平 过 12ms 的延时后，如果保护电路输入信号恢复低电平则保护电路 就自动复位到正常状态。 就自动复位到正常状态。 的引脚定义如下： M57962L 的引脚定义如下：引脚 l 是保护电路对 IGBT 集电极检测 输入端; 分别是+15v 电源输入端； 输入端;引脚 4 和引脚 6 分别是+15v 和-10v 电源输入端；引脚 5 是驱 动输出端； 是故障状态输出端 出端； 动输出端；引脚 8 是故障状态输出端；引脚 13 和引脚 14 是驱动信号 输入端；其余引脚不用。 输入端；其余引脚不用。 采用 M57962L 集成电路驱动 IGBT 的典型应用电路如图 233 所 是快速恢复二极管， 2us。 示。其中 D1 是快速恢复二极管，要求恢复时间小于 02us。