IGBT电路工作演示稿解析

IGBT电路工作原理电路分析工作原理IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由GTR(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。GTR电路分析GTR是电流控制型器件，常用的是NPN型，其工作在正偏（IB0）时大电流导通；反偏（IB0）时处于截止。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。静态分析输出特性可分为四个工作区：①截止区。在截止区内，iB≤0，UBE≤0，UBC＜0。Ib=0，集电极只有漏电流流过。②放大区。iB＞0，UBE＞0，UBC＜0，iC=βiB。③饱和区。iB＞Ics/β，UBE＞0，UBC＞0，iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。④临界饱和区。UBE＞0，UBC＜0，Ic,Ib呈非线性关系。结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低uCE和减小导通时的损耗。临界区动态分析开关状态由于结电容和过剩载流子的存在，其集电极电路的变化总是之后于基极电流的变化。开通时间：ton=td+tr，td为结电容充电引起的，tr基区电荷贮存需要时间造成的。关断时间：toff=ts+tf，ts为储存时间，tf为下降时间。GTR的二次击穿和安全工作区二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。二次击穿是由于集电极电压升高到一定值(未达到极限值)时，发生雪崩效应造成的。防止二次击穿的办法是：①应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。②必须有电压电流缓冲保护以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB(二次击穿电压)与ISB(二次击穿电流)组成的PSB(二次击穿功率)是一个不等功率曲线。为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比GTR的极限电压低很多。场效应晶体管功率场效应管(PowerMOSFET)也叫电力场效应晶体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。功率MOSEFT的工作原理于传统的MOS器件基本相同，当栅极加正向电压（UGS0)时，MOSEFT内沟道出现，形成漏极到源极的电流ID，器件导通，反之，当栅极加反向（UGS0)时，沟道消失，器件关断。静态分析输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线，如图2(b)所示。由图所见，输出特性分为截止、饱和与非饱和3个区域。这里饱和、非饱和的概念与GTR不同。饱和是指漏极电流ID不随漏源电压UDS的增加而增加，也就是基本保持不变；非饱和是指地UCS一定时，ID随UDS增加呈线性关系变化动态状态开关状态动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系，它影响器件的开关过程。由于该器件为单极型，靠多数载流子导电，因此开关速度快、时间短，一般在纳秒数量级。安全工作区1、正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区，它是由最大漏源电压极限线I、最大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ和最大功耗限制线Ⅳ，4条边界极限所包围的区域。2、开关安全工作区开关安全工作区为器件工作的极限范围。它是由最大峰值电流IDM、最小漏极击穿电压BUDS和最大结温TJM决定的，超出该区域，器件将损坏。绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+区之间创建了一个J1结。IGBT是以GTR为主导元件、MOSEFT为驱动元件的达林顿结构器件。IGBT的工作特性静态特性IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。动态特性IGBT的动态特性也称为开关特性，包括开通和关断两个部分。IGBT的开通延迟时间td（on）为（0.5~1.2us）。IGBT在开通过程中大部分时间作为MOSEFT工作的，只是在集射极电压UCE下降过程能够后期（tfv2），PNP晶体管才由放大区转到饱和区，因而增加了一段延缓时间，使集射电压UCE波形分成两段tfv1和tfv2。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程。关断过程所需要的时间为关断时间toff。toff包括关断延迟时间td(toff)和电流下降时间tf两部分，在tf内，集电极电流的波形氛围两段tfi1和tfi2；tfi1对应IGBT内部MOSEFT的关断过程，这段时间内IC下降较快；tfi2对应于IGBT内PNP晶体管的关断过程，由于MOSEFT关断后，PNP晶体管中的存储电荷难以迅速消除，所以在这段时间内IC下降较慢，造成集电极电流较长的尾部时间。通常关断时间为（0.55~1.5）us。IGBT的动态特性IGBT的动态特性擎住效应和安全工作区擎住效应在IGBT内部寄生着一个晶闸管。其中VR2基极与发射极之间存在体区短路电阻Rdr，在此电阻在P型区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，对J3结施加一个正向偏压。在规定的集电极电流范围外，这个正向电压足以使VT2开通，进而使VT2和VT3处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，门极失去控制作用，这就是擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，造成过高功耗，导致IGBT损坏。可见，集电极电流有一个临界值ICM，当ICICM时便会产生擎住效应。限制ICM值，或者加大门极电阻RG可以延长IGBT的关断时间，以减小重加duce/dt值安全工作区安全工作区SOA反映了一个晶体管同时能承受一定电压和电流的能力。IGBT开通时为正向偏置，其安全工作区称为正向偏置安全工作区简称FBSOA。FBSOA于IGBT的导通时间密切关切相关。FBSOA为矩形方块。随着导通时间的增加，安全工作区逐渐减小，直流工作时安全工作最小。这是因为导通时间越长，发热越严重；因而安全工作区越小。IGBT的反向偏置安全工作区RBSOA。它随IGBT关断时的重加duce/dt而改变，duce/dt越高，RBSOA越窄。IGBT的栅极驱动电路IGBT是以GTR为主导元件、MOSEFT为驱动元件的复合结构，所以用于功率MOSEFT的栅极驱动电路原则上也是适合IGBT。1）提供适当的正反向输出电压，是IGBT能可靠的开通和关断。2）IGBT的开关时间应综合考虑。3）IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，是IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。4）IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响。5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。扩展分析电路HCPL-316J是由Agilent公司生产的一种IGBT门极驱动光耦合器，其内部集成集电极发射极电压欠饱和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可靠工作提供了保障。其特性为：兼容CMOS/TYL电平；光隔离，故障状态反馈；开关时间最大500ns；“软”IGBT关断；欠饱和检测及欠压锁定保护；过流保护功能；宽工作电压范围(15～30V)；用户可配置自动复位、自动关闭。DSP与该耦合器结合实现IGBT的驱动，使得IGBTVCE欠饱和检测结构紧凑，低成本且易于实现，同时满足了宽范围的安全与调节需要。IGBT驱动电路电路分析整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器(DSP-TMS320F2812)产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL-316J，同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号FAULT*给控制器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输出电路,目的是为了提高输出电流能力，匹配IGBT驱动要求。当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电平时，推挽电路上管(T1)导通，下管(T2)截止，三端稳压块LM7915输出端加在IGBT门极(VG1)上，IGBTVCE为15V，IGBT导通。当HCPL-316J输出端VOUT输出为低电平时，上管(T1)截止，下管(T1)导通，VCE为-9V，IGBT关断。以上就是IGBT的开通关断过程。模块的驱动电路智能型器件IPMIPM是IGBT智能化功率模块，它将IGBT芯片、驱动电路、保护电路和箝位电路等封装在一个模块内，不但便于而且大大有利于装置的小型化、高频化。IPM的电路图下所示：这是个有两个IGBT组成的桥段，集射极间并有续流二极管。CPU接口电路控制电源驱动电路1≦过电流保护控制电源低压保护驱动电路1≦过电流保护短路保护控制电源低压保护过热保护短路保护控制信号检测信号M控制信号检测信号热敏元件检测温度信号输出报警输出报警控制输入IPMRRCBAIPM优势IPM设有过流和短路保护、欠电压保护、当工作不正常时，通过驱动电路封锁IGBT的栅极信号同时发出警报信号；过热保护是通过设置在IPM基板上的热敏器件检测IGBT芯片温度，当温度超过额定值时，通过驱动电路栅极信号并报警。控制系统和IPM的接口一般采用光电耦合器隔离，为了防止干扰产生的误动作，模块还设有干扰滤波器。IPM的容量主要由模块的IGBT决定的，目前IPM的电流可达到10A~600A，电压有600V和1200V,能控制100W到kW的电动机。