毕业论文-IGBT特性及其应用技术综述

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE II -IGBT特性及其应用技术综述摘要IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),也称为绝缘栅双极晶体管,是一种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的一种新型复合器件。它同时具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性和双极晶体管的低饱和电压特性及易实现较大电流的能力。既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点。这使得IGBT成为近年来电力电子领域中尤为瞩目的电力电子驱动器件，并且得到越来越广泛的应用。

2、本文主要介绍了IGBT的结构特性和工作原理，同时简要概括了IGBT缓冲吸收电路的工作原理及参数计算等，通过对IGBT的串并联技术的详细的分析，了解了IGBT在高压大功率领域的应用中所遇到的关键技术问题，及怎样更好的解决这些问题。关键词IGBT；高压；大功率；串并联Introduction of IGBT Characteristics and Their Application Technology AbstractIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),Also known as insulation gate bipolar transistors,

3、 is a composite of power MOSFET and power transistor advantage and produce a new composite devices.It also has the high speed switching voltage and drive characteristic bipolar transistors and the low saturation voltage characteristics and easy to reach large current capacity.The IGBT has both high

4、input impedance, speed, thermal stability and the advantages of driving circuit is simple, besides, the state has low voltage, high voltage and current under great advantages. This makes IGBT become is the attention of the power electronics device drivers, and get more and more widely in power elect

5、ronic field in recent years.This paper mainly introduces the structure characteristic and working IGBT principle, at the same time, this paper reviews the IGBT buffer absorption circuit principle of work and the parameter calculation, through to the technology of the series IGBT detailed analysis, u

6、nderstand the IGBT in the application of high voltage power with the key technological problems, and how to better solve the problems.KeywordsIGBT; high voltage; high voltage power ; series parallelPAGE II- - PAGE IV -目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328570843 摘要 PAGEREF _Toc328570843 h I HYPERLIN

7、K l _Toc328570844 Abstract PAGEREF _Toc328570844 h II HYPERLINK l _Toc328570845 第1章 IGBT的发展、结构及特性 PAGEREF _Toc328570845 h 1 HYPERLINK l _Toc328570846 1.1 IGBT的产生和发展 PAGEREF _Toc328570846 h 1 HYPERLINK l _Toc328570847 1.1.1 IGBT的产生 PAGEREF _Toc328570847 h 1 HYPERLINK l _Toc328570848 1.1.2 IGBT的发展 PAG

8、EREF _Toc328570848 h 2 HYPERLINK l _Toc328570849 1.2 IGBT的基本结构及其工作原理 PAGEREF _Toc328570849 h 3 HYPERLINK l _Toc328570850 1.2.1 IGBT的基本结构 PAGEREF _Toc328570850 h 3 HYPERLINK l _Toc328570851 1.2.2 IGBT的工作原理 PAGEREF _Toc328570851 h 4 HYPERLINK l _Toc328570852 1.2.3 IGBT的主要工作特性及主要参数 PAGEREF _Toc32857085

9、2 h 5 HYPERLINK l _Toc328570853 1.2.4 静态特性 PAGEREF _Toc328570853 h 5 HYPERLINK l _Toc328570854 1.2.5 动态特性 PAGEREF _Toc328570854 h 7 HYPERLINK l _Toc328570855 1.2.6 主要参数 PAGEREF _Toc328570855 h 10 HYPERLINK l _Toc328570856 第2章 缓冲吸收电路 PAGEREF _Toc328570856 h 12 HYPERLINK l _Toc328570857 2.1 缓冲吸收电路概述及种

10、类 PAGEREF _Toc328570857 h 12 HYPERLINK l _Toc328570858 2.1.1 概述 PAGEREF _Toc328570858 h 12 HYPERLINK l _Toc328570859 2.1.2 缓冲电路的种类 PAGEREF _Toc328570859 h 12 HYPERLINK l _Toc328570860 2.2 IGBT缓冲电路的选取及参数计算 PAGEREF _Toc328570860 h 13 HYPERLINK l _Toc328570861 2.2.1 缓冲电路的选取及参数计算 PAGEREF _Toc328570861 h

11、 13 HYPERLINK l _Toc328570862 2.3 缓冲电路的工作特性分析与其应用中的问题及改进措施 PAGEREF _Toc328570862 h 16 HYPERLINK l _Toc328570863 2.3.1 尖峰电压的产生 PAGEREF _Toc328570863 h 16 HYPERLINK l _Toc328570864 2.3.2 缓冲电路的工作过程分析 PAGEREF _Toc328570864 h 17 HYPERLINK l _Toc328570865 2.3.3 缓冲电路在应用中的问题及改进措施 PAGEREF _Toc328570865 h 18

12、HYPERLINK l _Toc328570866 第3章 IGBT的串并联技术 PAGEREF _Toc328570866 h 19 HYPERLINK l _Toc328570867 3.1 串联均压的研究 PAGEREF _Toc328570867 h 19 HYPERLINK l _Toc328570868 3.1.1 IGBT串联运行存在问题 PAGEREF _Toc328570868 h 19 HYPERLINK l _Toc328570869 3.1.2 影响串联运行的因素 PAGEREF _Toc328570869 h 20 HYPERLINK l _Toc328570870

13、3.1.3 IGBT串联的静态均压措施 PAGEREF _Toc328570870 h 22 HYPERLINK l _Toc328570871 3.1.4 IGBT串联的动态均压 PAGEREF _Toc328570871 h 24 HYPERLINK l _Toc328570872 3.2 IGBT并联技术分析 PAGEREF _Toc328570872 h 26 HYPERLINK l _Toc328570873 3.2.1 IGBT并联静态均流特性分析 PAGEREF _Toc328570873 h 28 HYPERLINK l _Toc328570874 3.2.2 动态均流特性分析

14、 PAGEREF _Toc328570874 h 29 HYPERLINK l _Toc328570875 3.2.3 改善并联均流的措施 PAGEREF _Toc328570875 h 31 HYPERLINK l _Toc328570876 结论 PAGEREF _Toc328570876 h 34 HYPERLINK l _Toc328570877 致谢 PAGEREF _Toc328570877 h 35 HYPERLINK l _Toc328570878 参考文献 PAGEREF _Toc328570878 h 36 HYPERLINK l _Toc328570879 附录 A PA

15、GEREF _Toc328570879 h 39 HYPERLINK l _Toc328570880 附录 B PAGEREF _Toc328570880 h 47- PAGE 10 - PAGE 50 -IGBT的发展、结构及特性IGBT的产生和发展IGBT的产生IGBT全拼为Insulated Gate Bipolar Transistor1，译为绝缘栅双击晶体管，是由BJT(Bipolar Junction Transistor双极性三极管)和MOS (Metal- Oxide-Semiconductor即金属-氧化物-半导体又称绝缘栅型场效应管)组成的复合的全控型以电压驱动式为驱动方式

16、的功率半导体器件,适合应用于直流电压下电压等级为600V及600V以上的变流系统中（包括变频器、交流电机、照明电路、牵引传动和开关电源等领域）。电力电子学诞生以后，半导体学科分为两支:一个是以集成电路为核心的微电子学，另一个则是以大功率半导体器件为代表的电力电子学。前者集成度越来越高，后者功率越来越大，种类越来越多。采用传统的晶闸管作为逆变元件时，由于晶闸管的开关速度慢，因此逆变器的工作频率不可能很高，这就限制了储能元件的充电速度和充电精度。功率场效应管MOSFET具有优越的高频开关特性，无疑是一种更加理想的逆变器件，由于它的加入，电力电子器件在节省电能方面发挥了很大的潜力，使得半导体器件在中

17、小功率中的应用有了迅速发展。过去认为节约能量只对功率很大的工业控制才重要，现在认识到对量大面广的日用电器节能也十分重要。节能甚至对功率很小的便携式电器也有必要，因为它可延长电池的使用时间，在便携式电器中，由于采用新一代MOSFET，其电池的使用寿命可增加1-4倍，这对便携式电器是非常有利的。但是，MOSFET在实现一个较高的击穿电压时，其导通压降大，载流密度小，因而就诞生了绝缘栅双极型晶体管IGBT，它消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度进行了改进，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT高出很多。IGBT，由于它比MOSFET多一个PN结，本质

18、上是个双极型晶体管。而这个附加的PN结注入的少子改善了通态特性，使得IGBT既具有MOSFET的工作速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大，阻断电压高等多项优点，从而极大的扩展了半导体器件的功率应用领域，开辟了电力电子技术向高压高频化的现实道路。IGBT既具有MOSFET的高速度开关及电压驱动特性，又具有双极型晶体管的低饱和电压特性及易实现较大电流的能力，凝聚了高电压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工技术的精华，表现出良好的综合性能，其在大功率领域中的生命力令许多人难以置信。因此研究绝缘栅双极型晶体管IGBT的结构，基本特性，性能参数等问题，对提

19、高IGBT器件性能，优化器件结构，新器件的研发具有一定的现实意义。IGBT的发展1957 年，美国通用电气（GE）公司研制了第一只工业用普通晶闸管，标志着电力电子技术开始进入由电力电子器件（晶闸管）构成的电能变换和控制的变流器时代，标志着现代电力电子技术的诞生，以功率器件为核心的电力电子变换装置被用于现代工业的各个领域。晶闸管诞生以后，电子技术开始向两个不同的方向发展：一是以晶体管集成电路为核心的微电子技术，其发展方向为愈来愈高的集成度、越来越小的器件、越来越快的速度、越来越大的规模、越来越全的功能、越来越高的可靠性以及越来越低的成本，这一方向以微处理器为代表；另一个发展方向则是以晶闸管为核心

20、的电力电子技术，其发展方向为越来越高的耐压及电流容量、越来越快的开关速度、越来越高的可靠性以及越来越低的成本。前者以能够快速处理大批量数据为主要特征，而后者则主要应用于电力的传输、变换及配送，机车牵引、智能控制及工业节能等方面。20 世纪 70 年代，随着技术的发展，产生了大功率晶体管（GTRGiant Transistor）GTR有着很多优点，包括组成电路灵活成熟、开关时损耗小时间短、容量大，以及导通压降低等，它的出现迅速被广泛应用于中等容量和中等频率电路。然而在高频的工作环境中，也存在一些缺点:第一，开关频率较低，在硬开关环境中，GTR的最高开关频率约为5kHz，严重限制了其应用范围;第二

21、，输入阻抗低，作为一种电流控制器件，电流放大倍数很低，在大容量的工作情况下，基极电流很大，产生了较大的损耗，而且使得驱动电路的体积变大，设计困难。20世纪80年代以后，又产生了功率场效应晶体管(Power MOSFET)它是一种全控型功率器件，它克服了GTR的一些弱点，如：开关速度快、工作频率高、输入阻抗高、平均驱动功率很小，并且它的驱动电路的设计也要相对简单化。但是它也存在着一些缺点:第一，导通压降较高，其主要是因为通态下基区并没有电导调制效应，通态电阻不会变低，并且在相同的耐压等级下，导通压降会有所升高高，且损耗会增加;第二，由于开关的频率增加，使得器件面积的利用率和电流密度都有所下降，开

22、关容量也相对较低。IGBT作为现代中小功率电力电子设备的主导器件，发挥着不可替代的作用。20世纪80年代出现了第三代符合型场控半导体器件IGBT。1986年投入应用并迅速占领市场。它结合了上述两种器件的优点，即输入阻抗较大、驱动功率较小，且开关损耗低、工作频率高。工艺技术上， IGBT 利用 MOS 集成电路工艺进行大面积的功率集成，设计上表现为单元胞尺寸的缩小，并联集成的元胞数量越多，通态压降（导通损耗）逐渐减小。IGBT一经问世就获得了人们的认可，有着非常巨大的发展空间2。IGBT的基本结构及其工作原理IGBT的基本结构IGBT的是双极晶体管（BJT）的和MOSFET复合器件，IGBT将B

23、JT的电导调制效应引入到VDMOS的高祖漂流区，这大大提高设备的导通特性，但它还同时巨涌MOSFET的栅极高输入阻抗的优点。IGBT的应用范围，基本上可以取代传统的功率晶体管。IGBT本质上是一个场效应晶体管，其结构与VDMOSFET相似，只是在VDMOSFET的漏极和衬底之间额外加了一个P型层。图1-1 IGBT结构图如图1-1所示给出了一种由N沟道VDMOSFET与电力晶体管GTR组合而成的N沟道IGBT基本结构。N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+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P+和P-区）（沟道在该区域

24、形成），称为亚沟道区（Sub channel 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MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-

25、层的空穴，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。IGBT的开通和关断是由门极电压控制的，当门极加正向电压时，门极下方的P区中形成电子载流子到点沟道，电子载流子由发射极的N+区通过导电沟道注入N-区，即为IGBT内部的PNP型晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，为维持N-区的电平衡，P+区像N-区注入空穴载流子，并保持N-区具有较高的载流子浓度，即对N-区进行电导调制，减小导通电阻，使得IGBT也具有较低的通态压降。若门极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT就关断34。 IGBT的工作原理图1-2

26、为IGBT的常用电气符号。IGBT的等效电路如图1-3所示，可以看出这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管5。因此IGBT得驱动原理与VDMOSFET基本相同，是一种场控器件，其开通和关断由门射极电压U决定，即当UGE大于开启电压UT时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，使IGBT导通。由于缓冲区与注入区的电导调制效应，使IGBT的通态压降比MOSFET更小。当门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，使得IGBT关断。当UGE为负时，缓冲区与注入区PN结处于反向偏置，类似于反偏二

27、极管，器件呈反向阻断状态。IGBT具有反向阻断能力。如果IGBT栅极与发射极之间的电压UGE，即驱动电压过低,则IGBT不能稳定工作；如果过高且高于栅极、发射极之间的耐受电压，则IGBT可能永久性损坏；如果UGE超过集电极、发射极之间的耐受电压,流过IGBT集电极、发射极的电流超过集电极、发射极的最大允许电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏6。 图1-2常用IGBT的电气符号 图1-3 IGBT的等效电路 IGBT的主要工作特性及主要参数在通态中，IGBT可以按照MOSFET驱动的PNP晶体管建模。假如阴极阳极之间的压降不超过0.7V，即使栅信号让MOSFET沟道

28、形成，集电极电流IC也无法流通。当沟道上的电压大于VGE-VTH时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。由于IGBT结构中含有一个双极晶体管和一个功率MOSFET，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。功率MOSFET的温度系数是负的，而双极的温度系数则是正的，描述VCE(sat)作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。当必须并联两个以上的设备时，这个问题就十分重要，而且只能按照对应某一电流率的VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。有时候用一个NPT-IGBT进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的PT型器件相比，使用NPT型会造成压降增加。IGBT

29、的工作特性包括静态特性和动态特性7。静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和击穿特性。图1-4 集电极极电流与栅极电压之间的关系IGBT 的伏安特性又叫做输出特性89，它描述的是以栅源电压Ugs 为参变量时，集电极极电流与栅极电压之间的关系，曲线如图1-4。它与GTR 的输出特性相似，不同处在于它们的控制参数，IGBT是门射极电压UGE控制，而GTR是基极电流IB控制。IGBT的伏安特性也可分为正向阻断区、饱和区 、放大区和击穿区四部分。而且IC随着UGE的增大而增大。当集射电压UGE0时，IGBT为反向阻断区10。图1-5 转移特性曲线IGBT 的转移特性描述的是门射电压UGE与

30、集电极电流IC之间的关系曲线，如图1-5，也可认为是门极电压对集电极电流的控制能力。它与MOSFET 的转移特性相同。当门射电压UGE小于开启电压UT时，IGBT 处于关断状态。加在门射极间的最高电压由流过集电极的最大电流所限定，一般设计电压的最高值可取到15V左右。门射极之间电压UGE不能超过+20V否则有可能击穿门急绝缘层造成几件损坏。 IGBT有J1和J2两个背靠背的PN结，具有正、反向阻断特性和整流特性。当IGBT的栅极-发射极并接零点位、集电极接正电位时，IGBT处于截止状态。这时器件的J2结反偏，而J1结正偏。由于J2结两边的掺杂在外延层一边是均匀的，而在p阱的一边为离子注入形成的

31、高斯分布，而且掺杂浓度比外延层高，所以，据PN结理论，随着IGBT集电极-发射极电压的增大，J2结耗尽区（空间电荷区）主要向外延层一边扩展。J2结空间电荷区扩展的结果将是相邻p阱的空间电荷区相连，这时，J2承受了几乎全部的集电极-发射极电压。当与集电极-发射极电压对应的空间电荷区电场进一步增大时，在空间电荷区内将发生载流子的碰撞电离和雪崩倍增效应。当集电极-发射极电压增大到IGBT的雪崩击穿电压时，IGBT进入雪崩击穿状态，通常这一击穿称为器件的正向击穿，反之，如果，集电极接零电位，栅极-发射极短路接高电位，这时由于器件的J1结反偏，器件是不导通的，此状态称为反向截止状态，J1结对应的最高击穿

32、电压称为器件的反向击穿电压。一般，在直流或电压源逆变器应用中，并不需要IGBT的反向阻断特性，这使得人们在实际中着重对器件正向击穿电压的设计和优化11。动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的。从驱动电压UGE的前沿上升至其幅值的10%的时刻，到集电极电流上升至其幅值10%的时刻，这段时间成为开通延迟时间td(on)。而集电极电流从10%上升至90%的这段时间为电流上升时间tr。开通时间ton即为td(on)与tr之和。 （1-1） （1-2）式中 RG 栅极电阻；CGE 栅极-发射极电容；CGC 栅极-集电极电容；pnp PNP晶体管基区宽度；Dp 空穴扩散系数。

33、由此得到，从最初的加栅极-发射极正电压到IGBT集电极电流上升所经历的总的延迟时间ton是两个延迟时间之和，即 （1-3）在td(on)之后，集电极电流随着过剩载流子背注入到n基区而迅速上升。IGBT的导通时间很短，损耗很低。在栅极回路的串联电阻小、MOS结构的跨导大、延迟时间短的情况下，这一点尤其正确。集射电极的下降时间分为tfv1和tfv2两部分：tfv1为IGBT中的MOSFET单独工作时的曲线；tfv2为MOSFET何PNP型晶体管同时工作时的电压下降时间。因此，只有在tfv2段结束时,IGBT才完全进入饱和阶段。图1-6动态特性与导通过程相比，IGBT的关断过程尤其重要，因为器件的损

34、耗很大一部分来自于关断损耗。在器件导通时，基区中存有大量可动的过剩载流子电荷，这是空穴从p+发射区注入的结果。正是这种注入形成了n-基区的电导率调制。同时，作为总通态电流的一部分，流经MOS沟道的电流受控于栅极电荷，要想使这一电流中断，就必须通过翻转栅极电压来使栅电容放电。一旦VGE下降到VGE(th)以下，MOS沟道就会关断。从驱动电压UGE的脉冲后沿下降到其幅值的90%的时刻起，到集电极电流下降至90%止，这段时间成为关断延迟时间td(off)，集电极电流从其幅值的90%下降至10%的这段时间成为电流下降时间。以上二者之和即为关断时间toff。电流下降时间可分为tfi1和tfi2。tfi1

35、即IGBT内部的MOSFET关断过程，这段时间集电极电流下降较快；tfi2则是IGBT内部的PNP的关断过程，这段时间内集电极电流下降较缓慢。从VGH下降到VGE(th)需要用去由式(1-4)给出的ts时间。 （1-4）式中 VGH 器件导通时栅极-发射极电压； IDM承载电流； gfs器件跨导。随后集电极-发射极电压VCE就会按照式(1-5)所描述的规律变化。 （1-5）式中 Von 器件通态压降。与此同时，MOS沟道中的电流突然降低，其降低量为IC。 （1-6）沟道关闭后，J1结被反偏，存储于PNP晶体管基区中的过剩载流子被不断扩展的空间电荷区扫出。与一只双极晶体管不同，这里没有负向的基极

36、电流将积累于基区的过剩载流子运走。因此，与基区厚度和厚度载流子寿命都相近的双极晶体管相比，必须由更多的电荷要通过集电结抽走。由式(1-7)可知集电极电流的变化规律。这个电流称为IGBT的拖尾电流，其时间常数eff取决与载流子寿命和n-基区宽度。 （1-7）由 PNP 晶体管的集电结电压变化率所引起的位移电流将附加到由载流子所引起的电流上去。典型的关断电流波形如图 1-7所示。 图1-7 典型的关断曲线显然，限制 IGBT 关断时间最大的因素是基区中少子的寿命。减小基区少子寿命，可以提高器件关断速度。但是，同时也减弱了器件的电导调制，使正向饱和压降增大。所以器件设计时，需要在正向饱和压降和关断速

37、度之间进行折衷处理12-14。主要参数1电压参数栅一射极短路时的最大集一射直流电压VCES栅极开路时一允许的最大集一射直流电压VCEo集一射极饱和电压VCES(sat)，IGBT饱和导通时通过额定电流时的集一射电压。栅一射极最高电压VGES，集一射极短路时的最大栅一射极电压。栅极开启电压VGE (th)，在规定的集电极电流和集一射电压条件下的栅一射级电压，通常指能使IGBT导通的最小电压。绝缘电压Viso，指外壳与管芯绝缘的IGBT模块，三个极完全短路的情况下，三个电极与冷却体接触面间能容许的正弦波最高绝缘电压，一般指交流有效值。集一射极反向电压VCES，集成有续流二极管的IGBT，在二极管处

38、于导通状态时，在极间测得的二极管正向压降。2电流参数集电极额定电流ICN，在额定测试温度下，所允许的集电极最大直流电流。实际上，一般应选用实际使用的平均电流Ic=(1/21/3)IN集电极的反向电流I。，当 IGBT内部集成有续流二极管时，额定测试温度下，所允许的集电极最大直流电流。集电极脉冲峰值电流ICP，在一定脉冲宽度工作时，IGBT的集电极允许的最大脉冲峰值电流。集一射极短路时的栅极漏电流IGES，在栅一射短路条件下，在栅一射极加额定电压时的栅极漏电流。栅一射短路时的集一射极漏电流ICES，将栅一射短路，在集一射极间加额定电压时的集电极漏电流15。3最大功耗PT在壳温为254时间参数IG

39、BT的时间参数有开通时间、关断时间、上升时间和下降时间。5最高工作频率fMAXIGBT的最高工作频率是指对应开通时间和关断时间及额定工作电流且IGBT结温不超过允许值所能使用的最高开关频率。6结温指IGBT工作时不导致损坏所允许的最高结温16。缓冲吸收电路缓冲吸收电路概述及种类概述在IGBT关断的情况下，由于主回路的电流瞬间降低，在主回路的等效电感的影响下会引起开关的浪涌电压，如果电压值超过IGBT的反偏安全工作区域，就会造成IGBT的损坏。有效抑制浪涌电压的措施是采用缓冲电路，它可以在电压、电流、频率的不断增加的情况下，对IGBT起到保护的作用，所以缓冲电路的作用就十分明显。缓冲电路也称为吸

40、收电路，它是大功率变流技术中必不可少的组成部分，充分利用了IGBT的功率极限。它除了可以用来控制IGBT等功率器件的关断浪涌电压和续流二管恢复浪涌电压外，还可以避免动态擎住、保证IGBT的安全工作、减少开关损耗的重要措施。应该指出，缓冲电路之所以可以减小功率器件的开关损耗，是因为将开关损耗从器件本身转移至缓冲器上，目的是使功率器件损耗减少，保证安全工作，但总的开关损耗并未减少。缓冲电路的种类缓冲电路可分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路，用于吸收器件的关断过电压和换向过电压，抑制du/dt，减小器件关断损耗。开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通

41、时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。可将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，称为复合缓冲电路。图2-1 抑制电路电路图IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型。充放电型有RC型和RCD吸收两种，如图2-2。RC吸收电路因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，还会造成过冲电压。RCD电路因用二极管旁路上的充电电流，从而克服了过冲电压。 （a）RC型 （b）RCD型图2-2充放电型IGBT模块缓冲电路IGBT缓冲电路的选取及参数计算缓冲电路的选取及参数计算IGBT缓冲电路和传统GTR缓冲电路特点不同，主要表现在:IGBT的安全工作区范围较大，缓冲电路不需要保护抑制那种伴生达林顿

42、GTR的二次击穿超限，只需控制瞬态电压。一般应用中，IGBT的工作频率比达林顿GTR的工作频率要高得多，在每次开关过程中缓冲电路都要通过IGBT或自身放电，造成总的开关损耗较大。设计IGBT缓冲电路应考虑的因素主要有:功率电路的布局结构、功率等级、工作频率和成本。图2-3所示为3种通用的IGBT缓冲电路。图2-3-a所示缓冲电路由一个无感电容并在IGBT模块的Cl和E2之间。这种缓冲电路适用于小功率等级，对抑制瞬变电压非常有效且成本较低。随着功率级别的增大，这种缓冲电路可能会与直流母线寄生电感产生振荡。缓冲电路图2-3-b可以避免这种情况，该缓冲电路中的快恢复二极管可箝位瞬变电压，从而抑制谐振

43、的发生。这种缓冲电路的RC时间常数应设为电路开关周期的1/3左右，即:rT/3=1/(3f)。但是，在功率等级进一步增大的情况下，图2-3-b型缓冲电路的回路寄生电感则变得很大，以至于不能有效地控制瞬变电压。这种大电流电路可采用缓冲电路图2-3-c，该型缓冲电路既可有效地抑制振荡而且还具有回路寄生电感较小的优点，缺点是成本较高。在超大功率电路中，为了减小缓冲电路中二极管的应力，可以采取图2-3-a和2-3-c型缓冲电路同时使用的方法17。 （a） （b） (c)图2-3三种放电阻止型吸收电路图2-4所示为图2-3-c型缓冲电路的典型关断电压波形。图中起始电压的尖峰(Vl)是由缓冲电路的寄生电感

44、和缓冲二极管的正向恢复联合引起的。如果缓冲二极管采用与IGBT匹配的快恢复二极管，则该电压尖峰主要取决于缓冲电感Ls，在此情况下，可估算出Vl，为Vl =Lsdi/dt (2-1)式中Ls缓冲电路的等效寄生电感di/dt关断瞬间或二极管恢复瞬间的di/dt在典型的IGBT功率电路中，最严重情况下的di/dt接近0.02Ic/ns。如果Vl的限值已确定，则可用di/dt值来估算缓冲电路允许的最大电感量。例如:设一个IGBT功率电路的工作峰值电流为400A，Vl限定为100V，则最差情况下的di/dt约为di/dt=0.02400=8A/ns 用(1)式解得:Ls=Vl/di/dt=1008=12

45、.5nH通过上面计算我们可以得知大功率IGBT电路必须有极低电感量的缓冲电路，否则将不能很好地抑制瞬变电压。在设计缓冲电路时，应考虑到缓冲二极管内部和缓冲电容引线的寄生电感。利用小二极管和小电容并联比用单只二极管和单只电容的等效寄生电感小，并尽量采用低感或无感电容。另外，缓冲电路的设计应尽可能近地联接在IGBT模块上。以上措施有助于减小缓冲电路的寄生电感。 图3-3所示的关断初始浪涌电压之后，随着缓冲电容的充电，瞬态电压再次上升，第二次上升峰值电压V2是缓冲电容和直流母线寄生电感的函数。可以用能量守恒定律来确定V2。 1/2Lpi2=1/2CV2 （2-3）(2-3)式中Lp母线寄生电感i工作

46、电流C缓冲电容值V2缓冲电压峰值如果已确定V2的限定值，则对给定的功率电路可用式(2-3)确定缓冲电容的数值C= Lpi2 /V22 图2-4 采用缓冲电路的典型关断电压波形实际的功率电路设计中可采用以下措施来减小所需电容值:采用平板式汇流母线，正负极叠在一起，中间用绝缘板隔开，以获得最小母线寄生电感；因为C值与关断电流的平方成正比，所以采取必要的限流技术来限制功率电路的最大电流；(3)因为C值反比于V2的平方，所以若允许V2与IGBT的VCES之间有一定的裕度则可使缓冲电容值明显减小18。缓冲电路的工作特性分析与其应用中的问题及改进措施尖峰电压的产生1. 关断尖峰电压IGBT的关断尖峰电压是

47、由于通过IGBT的电流，断而产生的瞬态高电压。为了更好地解释这一现象，示的感性负载半桥电路的关断过程来说明。在IGBT关断时被中我们采用图2-5所示的感性负载半桥电路的关断过程来说明。图2-5具有感抗的半桥电路假定上桥臂Q1截至，下桥臂Q2处于开通状态。若主回路为理想电路且不存在寄生电感，当下桥臂Q2由导通变为截至时，由于感性负载电流不能突变，将通过上桥续流二极管D1续流，以构成电流回路。此时下桥臂电压VC2E2将上升，直到它的值达到比母线电压Vcc高出一个二极管的压降值，才能使上桥臂Q1，的续流二极管D1导通以防止电压进一步增加。但在实际的功率电路中存在寄生电感，如图2-5中的等效寄生电感L

48、P。当下桥截至时，电感LP阻止负载电流向上桥IGBT的续流二极管切换。在该电感两端产生阻止母线电流增加的电压VP (VP=LPdi/dt)，它与电源电压相迭加并以尖峰电压的形式加在下桥IGBT的两端。在极端情况下，该尖峰电压会超过IGBT的VCES额定值，并能使IGBT损坏。在实际应用中，寄生电感LP分布于整个功率电路中，但其效果是等同的19。2. 续流二极管恢复时的尖峰电压当续流二极管恢复时会产生与关断时相似的尖峰电压。在图2-4中，假定下桥臂Q2关断，并且负载电流IL通过上臂IGBT的续流二极管D1构成环路。此时，若Q2导通，随着负载电流通过Q2，流过续流二极管D1中的电流IFWD将逐渐下

49、降，并且在续流二极管反向恢复期间变为负值。当续流二极管D1恢复阻断，主回路电流会迅速下降为零，这种情况类似于上面所描述的关断情况。主回路中的寄生电感LP产生了一个尖峰电压VQ1(PK)其值与LP和电流减少变化率di/dt成正比，而di/dt与续流二极管D1的恢复特性有关。有些快恢复二极管在Q2快速开通时被“硬恢复”，可以产生特别高的反向恢复di/dt。这种情况通常被称为“折断式”恢复，可导致很高的瞬态电压。 缓冲电路的工作过程分析在图2-3所示的三种缓冲电路中，a型缓冲电路结构简单，b型和c型电路使用较为广泛，二者的工作原理基本相同，因此本文以B型缓冲电路为例进行分析。使用b型缓冲电路的IGB

50、T单相逆变桥等效电路如图2-6所示。缓冲电路的工作过程可简单分析如下:当开关管Q截至时，原来流过回路寄生电感Lp的电流通过Cs、Ds旁路，从而将Lp上的储能转移到Cs，避免在器件关断时，由于电流突变在器件两端产生很高的电压尖峰，因而大大降低了在开关管截至瞬间在其两端所产生的过电压;当开关管Q导通时，Cs的储能通过开关管Q、缓冲电阻Rs释放，从而使其两端的电压下降到母线电源电压Vd，为下一次的缓冲吸收做好准备20。图 2-6 等效电路缓冲电路在应用中的问题及改进措施1.在以IGBT为主开关器件的逆变电路应用中，存在以下几个问题:（1）IGBT开通时的di/dt和关断时的du/dt均不能超过限定值

51、，否则会烧坏管芯或使其误导通;（2）IGBT开通或关断时，因为回路分布电感和变压器漏感的作用，在开关管两端或在与之同处一桥臂上的另一只开关管两端会产生电压尖峰，若不采取措施，这个电压尖峰叠加原来的电源电压会超过管子的安全工作区而使管子损坏。缓冲电路的作用就是针对上述情况进行限制，以保护IGBT安全工作。2.缓冲电路的主要要求：（1）尽量减小主电路的布线电感。（2）吸收电容应采用低感吸收电容，它的引线应尽量短，最好直接接在IGBT的端子上。（3）吸收二极管应选用快开通和恢复二极管，以避免在开通时产生的开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。3.抑制过电压的措施：选择性能好的IGBT模块，这类模

52、块内部寄生电感一般较小。优化主电路结构，减少电路中的寄生电感。对开关电源类装置来说，电路布线是造成寄生电感的主要原因。减少寄生电感的的主要方法是缩小整个电路的有效回路面积，而最有效的方法是采用分层布线结构。这些方法会大大减小线路储能，如果开关速度已给定，会使过电压明显降低。另外把一些阻抗较低且感抗较低的退耦电容加在整个电路上会使线路电感进一步减小。分时串联门级电阻，减小尖峰过电压。通常增加门级串联电阻可以使开关速度减慢，抑制du/dt，虽然减小了过电压，但是却大大增加了IGBT的功率损耗。为了达到既减小过电压，又可以达到不能大量增加开关损耗的目的，可以把不同的门极电阻串联在不同的开关时段。其具

53、体操作为：a.在开通条驱动回路中，串联较小的门极电阻；b.在关断驱动过程中，在器件的UCE达到主电路电压之前，使器件通过很小的门极尽可能快的释放门极电荷，然后，将路径切换到另一个高阻抗的通路21。IGBT的串并联技术串联均压的研究IGBT凭借着通工作速度快、态压降低、驱动电路简单等优点，得以迅速发展，并且在中频和开关电源、电机控制等要求工作状态损耗低、速度快的领域中得以广泛应用。尽管IGBT器件自身的电压等级和电流容量在不断地提高，但是在一些大容量高电压的应用场合中，如果单只IGBT器件的耐压值还不能很好的满足工作需求，这时就需要需要把IGBT模块串联起来，有的甚至将逆变器或整流器进行串联，以

54、构成耐受电压更高的变流装置22-24。但是在IGBT等半导体开关器件的串联应用中，由于每个器件的静态伏安特性及动态参数的有所不同，会引起各器件间的电压分配不均匀进而产生过电压失衡现象，造成IGBT器件的损坏，有的甚至是高压设备的损坏。所以在IGBT模块串联使用时必须采取有效的静态、动态均压措施。只有在串联IGBT模块具有理想的静态、动态均压状态时，才能最大程度地利用其耐压值并发挥其优势。IGBT串联运行存在问题IGBT串联需解决的问题在于如何确保各串联器件的动、静态电压均衡，尤其是动态电压均衡，以防止器件因过电压压而损坏。串联器件动、静态电压不均衡的主要原因有251、IGBT 漏电流的不一致（

55、静态均压）IGBT关断后，串联器件中流过的漏电流是相同的，因此不同的关断阻抗会造成IGBT的静态电压不均衡，器件的结温同样会影响静态均压。通常采用均压电阻来减少端电压的不均衡，但要注意在均压效果和均压电阻损耗上达到良好的平衡效果。驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异驱动信号的不一致和驱动电路参数的差异，将导致IGBT栅极驱动信号的延迟，从而极大地影响了IGBT集电极-发射极电压的均衡。关断时，先关断的器件会产生很高的过电压，同理，开通时滞后导通的器件也会承受较高过电压。电压不平衡率与栅极驱动信号延迟时间的关系如图3-1所示，可见100ns的延迟就会产生60的电压不平衡率，这足以导致串联器件的损

56、坏26。图3-1 电压不平衡与驱动延迟的关系3、IGBT 本身寄生参数的离散性器件寄生电感、寄生电容等特性不一致(尤其是寄生电容)，会导致不同的开关特性和电压尖峰，串联IGBT在关断过程中，关断速度较快的器件要承受很高的过电压，开通过程中导通较慢的器件也会承受较高过电压。4、反向二极管恢复特性的差异在感性负载情况下，IGBT的开通与电感续流二极管之间存在一个换流过程，由于二极管的反向恢复问题，在IGBT开通瞬间，会在续流二极管两端产生过电压。在桥式电路中IGBT通常与二极管并联，二极管两端的过电压即IGBT的过电压。影响串联运行的因素如果只把两只IGBT简单的串联，则在串联IGBT的关断和开通

57、的瞬间，两只IGBT上的电压分配以及du/ dt将会有所不同。如图3-2所示，该图为两只IGBT串联工作状态下在关断瞬间一只IGBT的端电压得波形图。从图中可以看出，两只IGBT在关断瞬间的端电压有着很大的差异，其中一只IGBT将承受较高的尖峰电压，如果尖峰电压超过其额定电压值将损坏该只IGBT。产生这种电压分配不均衡的主要因素有以下几个方面27-29:串联模块的漏电流不一致;串联模块的开关特性不一致;串联模块回路杂散电感不一致;串联模块驱动电路的延迟特性不一致。下面将着重从静态和动态两个方面进行分析和讨论。图3-2 IGBT串联工作时一只IGBT端电压波形图静态因素IGBT器件一般有四种工作

58、状态，即阻断状态(稳定断态)、开通瞬态、导通状态(稳定通态)、关断瞬态。其中阻断状态和导通状态是静态过程，开通瞬态和关断瞬态是动态过程。在串联IGBT模块处于导通状态时，只要流过串联支路的电流不超过IGBT模块集电极电流的额定值，串联IGBT模块就可以安全运行，因此本文将着重讨论阻断状态。在IGBT模块处于阻断状态时，串联模块的电压分配主要取决于IGBT模块的阻断特性和输出特性。阻值比较低的IGBT模块或者说关断漏电流比较大的IGBT模块，在阻断状态时承受比较小的电压。反之，较高阻值的模块将承受较大的电压。图3-3给出了同一型号的两只IGBT模块串联时的伏安特性曲线。从图中可以看出，IGBT-

59、1和IGBT-2在流过同一集电极电流I0时承受的端电压分别为V2和V1，两者数值相差比较大，电压分配很不均衡，这将导致IGBT-2还未发挥其耐压能力，而IGBT-1却己接近转折电压并有可能超出其安全工作区而损坏。图3-3 同一型号两只LGBT串联的伏安特性曲线另外，IGBT的静态特性受温度的影响也比较显著，这将使同一IGBT在不同结温下运行时，它的集电极电流将发生变化，导致伏安特性也发生相应的变化，从而影响了串联运行IGBT静态电压的分配。因此，为了使串联IGBT模块承受均衡的电压，必须采取静态均压措施30。动态因素IGBT伏安特性的差异会使串联IGBT工作在阻断状态时产生静态电压不均衡现象。

60、然而，在GIBT的开通瞬间和关断瞬间，由于IGBT的栅极电荷和输出电容的不同，则会造成IGBT串联运行的动态电压不均衡。栅极电荷和输出电容不同，IGBT的关断速度就不同。栅极电荷少、则IGBT容易关断且关断时间比较短，反之亦然。因此，若两只IGBT串电荷的差异则会造成串联IGBT不能同时关断的现象，最先关断的IGBT输出电容小，联运行，栅极必然承受最高的动态电压，这将引起动态电压不均衡问题。IGBT开通时，延迟时间不同，IGBT的开通速度也就不同。延迟时间短则开通速度快，反之亦然。因此，若IGBT串联运行，开通时间的长短则会造成它们不能同时开通的现象，后开通的IGBT将承受最高的动态电压，这也