《新能源汽车电力电子技术》课件 项目三任务5绝缘栅双极晶体管的认知与检测

《绝缘栅双极晶体管的认知与检测》情境一辆北京现代名图新能源汽车，车主在使用充电桩对车进行充电中发现充电经常中断，严重影响到汽车行驶的续航能力，车主到4S店进行维修，经过检测，发现是充电桩的绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块故障，进行更换后，充电桩充电正常。那么这个IGBT在新能源汽车充电桩中起到了什么作用？怎样检测IGBT的好坏呢？带着这些疑问，我们来学习IGBT的相关内容。目录1《绝缘栅双极晶体管的认知与检测》知识充电站2《绝缘栅双极晶体管的认知与检测》任务实施保障机制《绝缘栅双极晶体管的认知与检测》知识充电站1第一部分

学习目标知识目标能力目标1.掌握绝缘栅双极晶体管的结构和作用2.掌握绝缘栅双极晶体管的工作原理和参数3.了解绝缘栅双极晶体管的应用1.能说明IGBT的作用2.能对IGBT进行检测3.能判断IGBT的好坏

一、IGBT的作用三大特点：高压、大电流、高速绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor）,简称IGBT，是由BJT（双极型三极管）和MOSFET（绝缘栅型场效应管）组合而成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，综合了电力晶体管(GiantTransistor-GTR)和电力场效应晶体管(PowerMOSFET)的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合用于600V以上的交流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域，在新能源汽车充电桩中也有重要的应用。通俗来讲：IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看作导线，断开时当作断路。

二、IGBT的结构IGBT有三个端子（集电极、发射极和栅极）都附有金属层。然而，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。IGBT结构是一个四层半导体器件。四层器件是通过组合PNP和NPN晶体管来实现的，它们构成了PNPN排列。上图(a)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（即发射极E）。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（即门极）。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P型区称为亚沟道区(Subchannelregion)。而在漏区另一侧的P+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（即集电极C）。图(b)所示为IGBT的等效电路。IGBT是一个具有BJT的输出导通特性，但却像MOSFET是电压控制之元件，在许多高电压交换应用场合是一个非常好的选择。图(c)显示一个常用的电路符号，它类似一个BJT符号。

二、IGBT的结构三、IGBT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UT以上的(正)电压，在栅极电极正下方的P层上形成反型层(沟道)，开始从发射极电极下的N-层注入电子。该电子为PNP晶体管的少数载流子，从集电极衬底P+层开始流入空穴，进行电导率调制(双极工作)，所以可以降低集电极--发射极间饱和电压。在发射极电极侧形成NPN寄生晶体管。若NPN寄生晶体管工作，又变成PNPN晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。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。IGBT的理想等效电路如图所示，是对PNP双极型晶体管和MOSFET进行林顿连接后形成的单片型Bi-MOS晶体管。因此，在门极和发射极之间外加正电压使功率MOSFET导通时，PNP晶体管的基极—集电极间就连接上了低电阻，从而使pnp晶体管处于导通状态。此后，使门极—发射极之间的电压为0V时，首先功率管MOSFET处于断路状态，pnp晶体管的基极电流被切断，从而处于断路状态。综上所述，IGBT和功率MOSFET一样，通过电压信号可以控制开通和断开动作。三、IGBT的工作原理1.

静态特性IGBT的静态特性主要有转移特性和伏安特性。四、IGBT的工作特性IGBT的转移特性是指输出集电极电流IC与栅极-发射极电压UGE之间的关系曲线，如图所示。当栅射极电压UGE小于开启电压UGE(th)

时，IGBT处于关断状态。当UGE>UGE(th)时，IGBT导通，在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。只有当UGE接近UGE(th)时才呈非线性关系。IGBT的伏安特性也称输出特性，是指以栅极-发射极电压UGE为参变量时，集电极电流IC与集电极-发射极间电压UCE之间的关系曲线。由图可见，输出特性可分为正向输出特性和反向输出特性。正向输出特性又可分为有源区、饱和区和正向阻断区。在饱和区输出集电极电流IC受集电极-发射极间电压UCE的控制，UCE

越高，IC越大。在有源区，对于一定的UCE

，UCE

增大，IC不随着UCE

增大。1.

动态特性IGBT的动态特性包括开通过程和关断过程两个方面当栅极-发射极之间施加阶跃驱动电压时，由于驱动电路中不可避免存在阻抗，当驱动电压为高电平时，驱动电路对IGBT的输入电容充电。从栅极-发射极电压UGE的前沿上升到其幅值的10%时刻起，到集电极电流IC上升至其稳态电流ICM的10%时刻止，这段时间称为开通延迟时间td（on），IC由ICM上升到90%ICM所需时间称为电流上升时间tri。集电极-发射极电压UCE的下降过程分为两段，tfv1和tfv2。tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程，由于MOSFET的密勒效应，该过程中UCE基本保护不变；tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程，由于UCE下降时IGBT中的MOSFET密勒电容增加，而且PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此tfv2段电压下降过程变缓。当tfv2段完全结束后，IGBT完全进入饱和导通状态。在IGBT关断时，从UGE下降到其稳态值的90%时刻起，到UCE上升到其稳态值的10%为止，这段时间称为关断延迟时间td(off)。随后是UCE的上升时间trv，由于IGBT中MOSFET的密勒效应，UGE近似保持不变。IC由90%ICM下降到10%ICM所需时间称为电流下降时间tfi，该下降过程分为两段，即tfi1和tfi2。其中tfi1对应IGBT中MOSFET的关断过程，IC下降较快，tfi2对应IGBT内部PNP晶体管的关断过程，由于PNP晶体管的基区载流子高注入，存储电荷无法用外加反向抽流使其迅速消失，只能靠自然复合消失。这就出现IGBT关断时特有的电流拖尾现象，使得下降时间变长，造成较大的关断损耗。IGBT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3～5V，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。五、IGBT的主要参数1.集射极击穿电压UCES最大集电极-发射极间电压UCES，即IGBT的最高工作电压，它取决于IGBT内部PNP型晶体管所能承受的击穿电压值。集射极击穿电压UCES的大小与结温成正温度系数关系。2．集电极连续电流IC和峰值电流ICPIGBT集电极允许流过的最大连续电流IC为IGBT的额定电流，IGBT还规定了最大集电极峰值电流ICP（条件为脉宽1ms）。一般情况下，峰值电流ICP为额定电流IC的2倍左右。此外，为了避免动态擎住效应发生，规定了最大集电极电流ICM，三者之间的关系为IC<ICP<ICM（ICP=2IC，ICM=6IC）。五、IGBT的主要参数3.通态压降UCE(on)指IGBT处于导通状态时集电极-发射极间的导通压降，它决定了IGBT的通态损耗，此值越小，IGBT功率损耗越小。一般UCE(on)为2.5～3.5V。4.栅射极开启电压UT和最大栅射极电压UGES栅射极开启电压UT是IGBT导通所需的最低栅极-发射极电压，即转移特性与横坐标的交点电压。UT具有负温度系数，约为-5mV/℃，在25℃条件下，UT一般为2～6V。5.最大集电极功耗PCM最大集电极功耗PCM指IGBT在正常工作温度下允许的最大功耗。6.集射极饱和电压UCEO集射极饱和电压UCEO是指IGBT通过额定电流时集电极-发射极电压，通常为1.5～3V。保障机制《绝缘栅双极晶体管的认知与检测》任务实施2第二部分任务实施环境器材及工具准备，数字万用表，绝缘栅双极晶体管若干任务实施步骤1.IGBT极性的判断对IGBT进行检测时，应选用指针式万用表。首先将万用表拨到R×1KΩ档，用万用表测量各极之间的阻值，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则此极为栅极（G）。再用万用表测量其余两极之间的阻值，若测得阻值为无穷大，调换表笔后阻值较小，当测量阻值较小时，红表笔接触的为集电极（C），黑表笔接触的为发射极（E）。

2.IGBT好坏的检测

lGBT的的3只引脚依次为控制极G、集电极C、发射极E，如图所示。

将万用表调至欧姆档的10K挡，用红表笔接C极，黑表笔接G极，停留3秒左右，松开表笔（作用：利用万用表欧姆档电流触发IGBT）如图触发：