IGBT管性能和应用讲座

IGBT管性能和应用讲座功率场效应管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，这就是绝缘栅双圾晶体管(insulatedgatebipolartransistor，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2—24是N沟谊IGBT的等效电路和符号。从图2—24(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2—24(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2—25为高速IGBBT(50A／600V)和高速MOSFET(50A／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2—26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2—27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置电压。不过．在规定的IGBT集电极电流Ic范围内，这个正向偏置电压不大，对寄生晶体管不起作用。但当集电极电流Ic达到一定程度的时候．该正向偏置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置电压，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导通时的正向偏置安全工作区，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2—29(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，安全工作区就越小，图2—29(b)是IGBT关断时的反向偏置安全工作区。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2—4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。①IGBT与MOSFET都是电压型驱动开关器件．部具有一个2．5—5v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电回路．即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。②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。③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。④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12—15V。在关断过程中，为了尽快放掉输入电容的电荷．加快关断过程，减小关断损耗，要对栅极施加反向电压一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：对小容量的IG8T不加反向电压也能工作;对中容量的IGBT加5—6v的反向电压；对大容量的IGBT要加大到10V左右。⑤在大电感的负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di／dz所形成的尖峰电压，确保IGB了的安全。⑥由于IGBT多用于高压场合，所以驱动电路与控制电路一定要严格隔离.⑦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。⑧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，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，这将使栅极产生误动作，因此必须选用较大的电阻，尽管这样做会增大损耗。2．IGBT专用驱动集成电路原则上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，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。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、841、850、85l系列;IR公司的IR2l00系列；MOTOROLA公司的MC35158；Uni-trode公司的UC3714、3715；三菱公司的M57957——M57963系列。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。(1)EXB840组成的驱动电路EXB840是一种高速驱动集成电路．最高使用频率为40KHz．能驱动150A/600V或者75A/1200V的IGBT，驱动电路信号延迟小于1．5us。采用单电源20V供电。EXB840的功能框图如图2—30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。其中输入隔离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，保护电路将慢速关断IGBT，以防止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-5V的关栅电压。EXB840的引脚定义如下：引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容；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(一般场合不需要这个电容)；引脚5为过流保护输出；引脚6为IGBTT集电极电压监视端；引脚14和引脚15为驱动信号输入端；其余引脚不用。采用EXB840集成电路驱动IGBT的典型应用电路如图2—3l所示。其ERA34—10是快速恢复二极管。IGBT的栅极驱动连线应该用双绞线，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．可增加IGBT的栅极电阻阻值RG。(2)M57962L组成的驱动电路M57962L与EXB840的原理非常相似。它的最高使用频率为20kHz，能驱动400A／600V或者200A／1400V的IGBT。驱动电路信号延迟小于1．5us．采用+15V和-10V双电源供电。M57962L的工作原理团如图2—32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．因此短路保护应在l0us内完成。M57962L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，立即降低栅极驱动电压，并从8脚输出故障信号，这一过程用2．6us的时间。经过1—2ms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。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;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；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。采用M57962L集成电路驱动IGBT的典型应用电路如图2—33所示。其中D1是快速恢复二极管，要求恢复时间小于0．2us。对于驱动高压的IGBT，Dl的恢复时间可能较长，则引脚1承受的电压就高，因此在引脚l和引脚6之间加一只稳压管，进行嵌位保护。需要注意的是,在M57962L的电源接通和断开的过程中，在电源稳定之前，M57962L都会在引脚8输出放随信号。另外，M57962L的引脚2、3、7、9、10是测试引脚，使用时不要接线。