IGBT驱动保护及典型应用

IGBT驱动保护及典型应用Sy摘要IGBT（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，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。近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件，并得到越来越广泛的应用。本文主要介绍了IGBT的基本结构、工作原理、驱动电路，同时简要概括了IGBT模块的选择方法和保护措施等，最后对IGBT的实际典型应用进行了分析介绍，通过对IGBT的学习，来探讨IGBT在当代电力电子领域的广泛应用和发展前景。关键词：IGBT；绝缘栅双极晶体管；驱动电路；保护电路；变频器；电力电子器件目录引言..........................................................................................................................11、IGBT的基本结构.....................................................................................................12、IGBT的工作原理.....................................................................................................32.1IGBT的工作特性............................................................................................33、IGBT的驱动...........................................................................................................53.1驱动电路设计要求..........................................................................................53.2几种常用IGBT的驱动电路...........................................................................64、IGBT驱动保护.........................................................................................................74.1驱动保护电路的原则..............................................................................74.2IGBT栅极的保护............................................................................................84.3IGBT的过电流保护........................................................................................94.3.1驱动过流保护电路的驱动过流保护原则..........................................94.3.2IGBT过流保护电路设计.....................................................................94.3.3具有过流保护功能的IGBT驱动电路的研究...................................114.4IGBT开关过程中的过电压保护..................................................................134.5IGBT的过热保护..........................................................................................154.6IGBT驱动保护设计总结..............................................................................155.IGBT专用集成驱动模块M57962AL介绍...........................................................166.IGBT在变频器中的典型应用...............................................................................19结论............................................................................................................................20参考文献......................................................................................................................21引言随着国民经济各领域与国防工业对于电能变换和处理的要求不断提高，以及要满足节能与新能源开发的需求，作为电能变换装置核心部件的功率半导体器件也起着越来越重要的作用。IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）自1982年由GE公司和RCA公司宣布以来，引起世界许多半导体厂家和研究者的重视，伴随而来的是IGBT的技术高速发展，其应用领域不断扩展它不仅在工业应用中取代了MOSFET和GTR（GiantTransistor，巨型晶体管），甚至已扩展到SCR（SiliconControlledRectifier，可控硅整流器）和GTO（GateTurn-OffThyristor，门控晶闸管）占优势的大功率应用领域，还在消费类电子应用中取代了BJT和MOSFET功率器件的许多应用领域IGBT额定电压和额定电流所覆盖的输出容量已达到6MVA，商品化IGBT模块的最大额定电流已达到3.6kA，最高阻断电压为6.5kV，并已成功应用在许多中、高压电力电子系统中。另一方面，由于IGBT具有电导调制效应，电流密度比MOSFET的大，因而在同等容量下，其成本比MOSFET低。一种短拖尾电流的高频类600V的IGBT分离器件已面世，其硬开关频率可达150kHz，已进一步扩展到功率MOSFET的应用领域。1、IGBT的基本结构绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。根据国际电工委员会的文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。IGBT的结构剖面图如图1-1所示，IGBT在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），形成PN结j1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。正是由于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP－NPN晶体管构成IGBT。但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。图1-1IGBT的结构剖面图由图1-1(a)可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图1-2(b)所示。图中Rff是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET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MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：——IGBT栅极与发射极之间的电压；——IGBT集电极与发射极之间的电压；——流过IGBT集电极－发射极的电流；——IGBT的结温。如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压，流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通，此时，从P+区注到N一区进行电导调制，减少N一区的电阻Rdr值，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。2、IGBT的工作原理IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流跟驱动功率都非常小，可直接与模拟或数字功能快相接而不须加任何附加接口电路。IGBT的导通和关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于UGE(th)时IGBT导通。当栅极和发射极施加反向或不加信号时，IGBT被关断。IGBT和普通三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，起主要作为开关器件应用。在驱动电路主要研究饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。2.1IGBT的工作特性1．静态特性IGBT的伏安特性是以栅射电压UGE为参变量时，集电极电流IC和集射电压UCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性也可分为饱和区、放大区和击穿区三个部分。在正向导通的大部分区域内，IC与UCE呈线性关系，此时IGBT工作于放大区内。对应着伏安特性明显弯曲部分，这时IC与UCE呈非线性关系，此时IGBT工作于饱和区。开关器件IGBT常工作于饱和状态和阻断状态，若IGBT工作于放大状态将会增大IGBT的损耗。IGBT的转移特性是指集电极电流Ic与栅射电压UGE之间的关系曲线。如图2-1(b)所示，它与MOSFET的转移特性相同，当栅射电压小于开启电压UGE(th)时，IGBT处于关断状态。当UGE＞UGE(th)时，导通IGBT在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Ic与UGE呈线性关系。图2-1IGBT的伏安特性和转移特性（2）动态特性图2-1是IGBT开关过程的波形图。IGBT在开通过程与电力MOSFET的开通过程很相似。这是因为IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的。如图所示，从驱动电压UGE的前沿上升至其幅值的10%的时刻，倒集电极的电流ic上升到其幅值的10%的时刻止，这段时间为开通延时时间tdon，而ic从10%Icm上升至90%Icm所需的时间为电流的上升时间tr。同样，开通时间ton为开通延时时间与上升时间之和。开通时，极射电压Uce的下降过程由tfu1和tfu2两段。前者为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；后者为MOSFET何PNP晶体管同时工作的电压下降过程。由于UCE下降时IGBT