IGBT动态di/dt控制电路实现方法--《船电技术》2012年06期
IGBT动态di/dt控制电路实现方法
【摘要】：提出一种具体的IGBT动态di/dt控制电路。该di/dt控制电路通过调节电阻来调整门极-集电极电容的值,使di/dt被控制在一个较宽的范围。该控制电路能独立控制开关电流上升率和下降率,并且电路采用一个统一的24V电源供电,也就避免了外加电源太多,各节点电压出现变化而导致镜像电流源工作失效情况的发生。通过仿真结果验证了该电路的可行性和有效性。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TN322.8【正文快照】：
0引言绝缘栅双极晶体管IGBT是集功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET的优点于一身,具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高(10-40kHz)的特点,近年来被广泛应用于高电压、大功率场合。但是其在大容量的电能变换系统工作中随着IGBT的超速开通和关断,将在电路中产生高
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介绍与 设计
摘 要# H( V3 S/ X* w9 _+ Z: J3 F2 z
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。
本文主要介绍了IGBT的结构特性、工作原理和驱动电路，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。" x5 h, }4 @* Q' H% n9 o( o0 ~7 v
关键词：IGBT；绝缘栅双极晶体管；MOSFET；驱动电路；电力电子驱动器件4 t9 q# g% k4 p
摘 要...................................................................................................................I# J1 h% k# T4 M' E% Q5 v
1 前言.................................................................................................................1
2 IGBT的发展历程.........................................................................................1
3 IGBT的结构特点和工作原理.................................................................2. ?' _1 l+ P6 C8 [9 @+ [- Y3 l&&v
4 IGBT的驱动电路和保护...........................................................................4
4.1 IGBT对驱动电路的要求...............................................................4
4.2 IGBT实用的驱动电路....................................................................5
4.3 IGBT的保护措施.............................................................................8
5 IGBT的工作特性.......................................................................................11
6 IGBT模块的选择和测试.........................................................................12
7 IGBT的应用实例.......................................................................................15
7.1断路器永磁机构控制器的驱动电路.......................................15! g7 D7 u5 @0 X
7.2 变频调速系统................................................................................167 O. M( Z. w" g5 m
7.3大功率商用电磁炉........................................................................17$ g9 L2 F6 M, {
8 结论...............................................................................................................17
参 考 文 献..........................................................................................................188 M( F# t2 T; A. e8 O' O) W2 N
1 前言, b: H2 m+ b4 ~: p1 D# ~* Q4 b* @
近年来，新型功率开关器件IGBT已逐渐被人们所认识，IGBT是由BJT(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, 与以前的各种电力电子器件相比，IGBI、具有以下特点：高输入阻抗，可采用通用低成本的驱动线路；高速开关特性；导通状态低损耗。IGBT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,是一种适合于中、大功率应用的电力电子器件，IGBT在综合性能方面占有明显优势，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。
本文主要通过对IGBT的结构特性和工作原理的学习，来探讨IGBT在当代电力电子领域的典型实际应用和发展前景。
2 IGBT的发展历程! _/ N( w/ w& e+ f1 t8 D
1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。&&s, |' r8 ~9 _1 b# ]. T
80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。, T& ?6 X6 J5 ]( d/ I& J
90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。
硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。 1
这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本—性能”的综合效果得到进一步改善。5 z/ o9 o4 A&&G3 u" q
1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。( x2 e0 ?+ c, [1 U/ y
IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为A/V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。
现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路，其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。2 Y5 a7 [3 ?" J: C
3 IGBT的结构特点和工作原理
IGBT是双极型晶体管（BJT）和MOSFET的复合器件，IGBT将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高祖漂流区，大大改善了器件的导通特性，同时它还具有MOSFET的栅极高输入阻抗的特点。IGBT所能应用的范围基本上替代了传统的功率晶体管。; s% a: h( ^+ u- c& ~% o
绝缘栅双极型晶体管本质上是一个场效应晶体管，在结构上与功率MOSFET相似，只是在员工率MOSFET的漏极和衬底之间额外增加了一个P+型层。 2
图3.1 IGBT结构图&&R& t, z7 W7 _: E' ~9 r
如图3.1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。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 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel 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一沟道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 一层的空穴，对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，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5 R0 i0 ^1 |+ v' o
31 |1 Z( W1 I- ^- V1 C. q/ P
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。
图3.2常用IGBT的电气符号 图3.3 IGBT的等效电路
图3.2为IGBT的常用电气符号，IGBT的等效电路如图3.3所示，由图可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C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MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。, X&&m% z& J. ^" q
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。3 W; Q2 l6 k' A. S" k1 j
4 IGBT的驱动电路和保护
4.1 IGBT对驱动电路的要求( _/ H, h, b7 Z7 T& S
IGBT 的驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。栅极的正偏压+VGE、负偏压-VGE 和栅极电阻RG 的大小，对IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dVCE/dt等参数都有不同程度的影响。门极驱动条件与器件特性的关系如表1 所示。
表1 门极驱动条件与器件特性的关系 4# j. @- G% ]" ~: B/ ~$ ~) \& ]/ D- e
TON、EON& X+ C! V" D/ N3 Y- ?4 N% w
Tdf、Edf* }7 z+ V7 G9 `3 i& g) P
负载短路能力' o2 C/ J&&O" G$ B4 B. w6 Y
电流dVCE/dt
降低! q$ q' Y* s1 }0 J6 U
降低* R- y3 ], g" `, p% v* @' ^8 s+ M
增加/ R) _2 |8 r3 d6 D+ f
-VCE增大9 p# A&&v. t4 D) v' o
减小( R: W" M7 w. L
RC增大# p&&a7 P. G$ D5 M) E
增加" _&&h* g4 k&&h
增加1 {; ^3 \&&\! u$ `8 H+ ?1 S# z6 O
根据IGBT的特性，其对驱动电路的要求如下：% p! O" k$ s/ C
(1)提供适当的正反向电压，使IGBT能可靠地开通和关断。当正偏压增大时IGBT通态压降和开通损耗均下降，但若UGE过大，则负载短路时其IC随UGE增大而增大，对其安全不利，使用中选UGE&&15V为好。负偏电压可防止由于关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，一般选UGE=－5V为宜。
(2)IGBT的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。但在大电感负载下，IGBT的开频率不宜过大，因为高速开断和关断会产生很高的尖峰电压，及有可能造成IGBT自身或其他元件击穿。
(3)IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使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，RG较大，有利于抑制IGBT的电流上升率及电压上升率，但会增加IGBT的开关时间和开关损耗；RG较小，会引起电流上升率增大，使IGBT误导通或损坏。RG的具体数据与驱动电路的结构及IGBT的容量有关，一般在几欧～几十欧，小容量的IGBT其RG值较大。/ v3 q" [" ?- j. B
(5)驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。IGBT的控制、驱动及保护电路等应与其高速开关特性相匹配，另外，在未采取适当的防静电措施情况下，G—E断不能开路。
4.2 IGBT实用的驱动电路& ^& c7 m5 ~3 W0 S: c( _7 a: G
1、直接驱动法
如图4.1所示，为了使IGBT稳定工作，一般要求双电源供电方式，即驱动电路要求采用正、负偏压的两电源方式，输入信号经整形器整形后进入放大级，放大级采用有源负载方式以提供足够的门极电流。为消除可能出现的振荡现象，IGBT的栅射极间接入了RC网络组成的阻尼滤波器。此种驱动电路适用于小容量的IGBT。& ~0 n4 ~; E) g1 p/ Z8 |; ?&&{
50 R* H/ e) Y9 O* [
图4.1 有正负偏压的直接驱动电路
2、隔离驱动法
图4.2 变压器隔离驱动电路/ T&&M; `, t+ g1 X6 B% }
图4.3 隔离驱动电路
隔离驱动法有两种电路形式。图4.2为最简单的变压器隔离驱动电路，适用于小容量的IGBT。图4.3为光电耦合隔离驱动电路，采用双电源供电的方式。当VG使发光二极管有电流流过时，光电耦合器HU的三极管导通，R1上有电流流过，场效应管T1关断，在VC的作用下，经电阻R2、T2管的基—发射器有了偏流，T2迅速导通，经RG栅极电阻，IGBT得到正偏而导通。当VG没有脉冲电压时，发光二极管不发光，作用过程相反，T1导通使T3导通，－Vc经栅极电阻RG加在IGBT得栅射极之间，使IGBT迅速关断。
3、使用EXB840集成模块控制的驱动电路 65 {- E' a% O' s7 W4 [2 s8 o" C
相对于分立元件驱动电路而言，集成化模块驱动电路抗干扰能力强、集成化程度高、速度快、保护功能完善、可实现IGBT的最优驱动。EXB840为高速型集成模块，最大开关频率达40kHz，能驱动75A，1200V的IGBT管。
图4.4 有过流检测、保护及软关断功能的集成驱动电路
如图4.4所示，适当增加外部元件，可使整个电路具有过流检测、保护及软关断功能。加直流20V作为集成块工作电源。内部利用稳压二极管产生－5V的电压，除供内部应用外，也为外用提供负偏压。集成块采用高速光耦输入隔离。4 [/ T! F% v# b$ [+ |5 d: D
由于EXB840的15脚接高电平，故控制脉冲输入端14脚为低电平时，IGBT导通，14脚高电平时，IGBT截止。稳压管V1、V2为栅极电压的正向限幅保护，电容C1、C2为正、反向电源的滤波电容，1脚还外接发射极的钳位二极管VD2。此外，当集电极电流过大时，IGBT的饱和压降UCE将明显增加，使集电极电位升高，过高的集电极电位作为过流信号送至6脚，通过EXB840内部的保护电路，使栅极电位逐步下降，IGBT延时截止。与此同时，5脚输出低电平，使光耦合器S01导通，输出过电流保护信号，对PWM信号提供一个封锁信号，封锁与门。. f6 Y& t2 O- Z" m" P& M3 I& |3 v( L
IGBT在发生短路后是不允许立即过快地关断，因此时短路电流相当大，如果立即关断会造成很大的di/dt，这在线路杂散电感作用下会在IGBT上产生过高的冲击电压，损坏元件。EXB840慢关断动作时间约8us，延时功能在内部电路里实现。; J&&v, m- T# E/ Y& S# r* w7 C
EXB840的4脚用于连接外部电容，以防止过流保护电路误动作，多数场合不需接该电容。 7
该电路适合容量较大、开关频率在40千赫以下的IGBT，整个驱动电路动作快，信号延时不超过1.5微秒。并有过流检测、保护及过载慢速关断等控制功能。
以上所论述的IGBT驱动电路都是在实践中很有应用价值的，使用时可根据器件容量或功能要求来选择不同的驱动电路。小容量的IGBT可选择直接驱动或隔离驱动，较大容量且要求保护功能完善的IGBT选用集成模块控制的驱动电路。
4.3 IGBT的保护措施
在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施。
1、IGBT栅极的保护
IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上电压,则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生,应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻,此电阻应尽量靠近栅极与发射极，如图4.5所示。
图4.5 IGBT栅极的保护电路 85 j1 o. x+ `# ~+ g3 q+ E; y
2、集电极与发射极间的过压保护' ^8 P* H6 u2 s7 ~8 C5 j6 d
过电压的产生主要有两种情况,一种是施加到IGBT集电极－发射极间的直流电压过高,另一种为集电极－发射极上的浪涌电压过高。: O& i- w5 U2 G3 m) y/ P" b
1）: V: l& r- F" i& E2 ~5 }9 O
直流过电压6 Z: l0 [! t- z# n* y
直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT时,进行降额设计;另外,可在检测出这一过压时分断IGBT的输入,保证IGBT的安全。
浪涌电压的保护5 J; l7 Q7 g, Z# t. N
因为电路中分布电感的存在,加之IGBT的开关速度较高,当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时,就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt,威胁IGBT的安全，v为IGBT极电极－发射极间的电压波形;ic为IGBT集电极电流;Ud为输入IGBT的直流电压;VCESP=Ud＋Ldic/dt,为浪涌电压峰值。如果VCESP超出IGBT的集电极－发射极间耐压值VCES,就可能损坏IGBT。解决的办法主要有： CE
a)' c4 a' {6 z&&I+ \&&N&&O5 S
在选取IGBT时考虑设计裕量;
b)- V- R0 r8 B! L7 f( h0 p3 N+ g
在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg,使di/dt尽可能小;, S7 \" Q9 J- A) w
c)2 n& B$ _+ W0 N7 T. `
尽量将电解电容靠近IGBT安装,以减小分布电感;
根据情况加装缓冲保护电路,旁路高频浪涌电压。4 A" p' q6 H' O2 e" e9 b/ f
由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用,在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。
1）C缓冲电路如图4.6(a)所示,采用薄膜电容,靠近IGBT安装,其特点是电路简单,其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路,易产生电压振荡,而且IGBT开通时集电极电流较大。&&{8 s( p/ w&&?0 R( U
2）RC缓冲电路如图4.6(b)所示,其特点是适合于斩波电路,但在使用大容量IGBT时,必须使缓冲电阻值增大,否则,开通时集电极电流过大,使IGBT功能受到一定限制。
3） RCD缓冲电路如图4.6(c)所示,与RC缓冲电路相比其特点是,增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大,避开了开通时IGBT功能受阻的问题。该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为P=LI2f＋CUd2f。式中，L为主电路中的分布电感;I为IGBT关断时的集电极电流;f为IGBT的开关频率;C为缓冲电容;Ud为直流电压值。' r6 |! C+ @0 i( ~
4） 放电阻止型缓冲电路如图4.6(d)所示,与RCD缓冲电路相比其特点是,产生的损耗小,适合于高频开关。在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为P=1/2LI2f+1/2CUf，根据实际情况选取适当的缓冲保护电路,抑制关断浪6 {1 a- S&&J$ q5 D# O1 Y0 J
涌电压。在进行装配时,要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感,接线越短越粗越好。
图4.6 缓冲保护电路
3、IGBT的过流保护0 O/ O3 H. Y, v/ w8 k
IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。
对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。% }* o7 n5 f& k! N& L
IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。/ O$ o7 O# M8 S7 S2 r
通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就" `' O; E5 W7 H9 L0 Z4 K) b% K
10$ X) S! y' P# C# Z
关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一，不过故障电流会在这个内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。: a# A% @4 r6 k9 d- a+ B
降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定，故障电流在这一期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。
5 IGBT的工作特性
IGBT 的工作特性包括静态和动态两类：
1、静态特性
IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。/ u1 p" B' O&&L" D- v2 W7 g( w$ L9 I
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。输出漏极电流比受栅源电压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。5 B&&}' P2 ^. I. R* p5 M&&J: b
IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可表示为 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh， 其中，Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。
通态电流Ids 可表示为： Ids=(1+Bpnp)Imos ，式中，Imos ——流过MOSFET 的电流。 由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压$ n5 W$ @( `& s* @% |, F. T
降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
2、动态特性, |6 D4 a8 R- D
IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期， PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间， tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td (on) tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。4 U&&U' t6 \6 t/ m2 l, @2 C* R
IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。: m4 {, B# H+ C, X; \
IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间t(off)=td(off)+trv十t(f) ，式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。
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3～4V，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。
正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1ｕm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。
6 IGBT模块的选择和测试
1、IGBT模块的选择 12
依据装置负载的工作电压和额定电流以及使用频率,选择合适规格的模块。用户使用模块前请详细阅读模块参数数据表，了解模块的各项技术指标；根据模块各项技术参数确定使用方案，计算通态损耗和开关损耗，选择相匹配的散热器及驱动电路。为了防止器件受静电危害，应注意以下两点：: |6 J& w1 P5 J2 s
① IGBT模块驱动端子上的黑色海绵是防静电材料，用户用接插件引线时取下防静电材料立即插上引线；在无防静电措施时，不要用手触摸驱动端子。
② 驱动端子需要焊接时，设备或电烙铁一定要接地。
2、IGBT的选择和使用
① 请在产品的最大额定值（电压、电流、温度等）范围内使用，一旦超出最大额定值，可能损坏产品，特别是IGBT外加超出VCES的电压时可能发生雪崩击穿现象从而使元件损坏，请务必在VCES的额定值范围内使用！工作使用频率愈高,工作电流愈小；源于可靠性的原因，必须考虑安全系数。如果使用前需要测试请务必使用适当的测试设备，以免测试损坏（特别是IGBT和FRED模块需要专业的测试设备，请勿使用非专业的设备测试其电压的最大值）。
② 驱动电路：由于IGBT Vce(sat) 和短路耐量之间的折衷关系，建议将栅极电压选为 +VGE=14～15V，-VGE=5～10V，要确保在模块的驱动端子上的驱动电压和波形达到驱动要求； 栅极电阻Rg与IGBT 的开通和关断特性密切相关，减小Rg值开关损耗减少，下降时间减少，关断脉冲电压增加；反之，栅极电阻Rg值增加时，会增加开关损耗，影响开关频率；应根据浪涌电压和开关损耗间最佳折衷(与频率有关)选择合适的Rg 值，一般选为5Ω至100Ω之间。为防止栅极开路，建议靠近栅极与发射极间并联20K～30KΩ电阻。驱动布线要尽量短且采用双绞线；在电源合闸时请先投入驱动控制部分的电源，使其驱动电路工作后再投入主电路电源。
③ 保护电路：IGBT 模块使用在高频时布线电感容易产生尖峰电压，必须注意减少布线电感和元件的配置，应注意以下保护项目：过电流保护、过电压保护、栅极过压及欠压保护、安全工作区、过温保护。5 y3 B) x1 S$ g% Y" {
④ 吸收电路： 由于IGBT开关速度快，容易产生浪涌电压，必须设有浪涌钳位电路。
⑤ 并联使用： 应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。
⑥ 使用时请避开产生腐蚀气体和严重尘埃的场所。! @( R9 |8 a6 P- w: V
3、检测IGBT模块的办法 13
1） 静态测量:把万用表放在乘100档,测量黑表笔接1端子、红表笔接2端子,显示电阻应为无穷大; 表笔对调,显示电阻应在400欧左右.用同样的方法,测量黑表笔接3端子、红表笔接1端子, 显示电阻应为无穷大;表笔对调,显示电阻应在400欧左右.若符合上述情况表明此IGBT的两个 单元没有明显的故障。
2） 动态测试: 把万用表的档位放在乘10K档,用黑表笔接4端子,红表笔接5端子,此时黑表笔接3端子红表笔接1端子, 此时电阻应为300-400殴,把表笔对调也有大约300-400殴的电阻表明此IGBT单元是完好的。用同样的方法测试1、2端子间的IGBT,若符合上述的情况表明该IGBT也是完好的。将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT 的漏极（D），红表笔接IGBT 的源极（S），此时万用表的指针指在无穷处。用手指同时触及一下栅极（G）和漏极（D），这时IGBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值 较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下源极（S）和栅极（G），这时IGBT 被阻 断，万用表的指针回到无穷处。此时即可判断IGBT 是好的。 注意：若进第二次测量时，应短接一下源极（S）和栅极（G）。 任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。注意判断IGBT 好坏时，一定要将万用表拨在R×10KΩ挡，因R×1K Ω挡以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT 导通，而无法判断IGBT 的好坏。
4、判断IGBT的方法
1）判断极性：首先将万用表拨在R×1KΩ挡，用万用表测量时，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，则判断此极为栅极（G）。其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C）；黑表笔接的为发射极（E）。
2）判断好坏：将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT的集电极（C），红表笔接IGBT的发射极（E），此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT是好的。
3）任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。注意判断IGBT好坏时，一定要将万用表拨在R×10KΩ挡，因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT导通，而无法判断IGBT的好坏。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管（P-MOSFET）的好坏。 14
7 IGBT的应用实例: ^&&E2 l# G5 K
IGBT是一种典型的双极MOS复合型器件，它既具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性，又有双极晶体管的低饱和电压特性及易实现较大电流的能力，是近年来电力电子领域中尤为瞩目的电力电子驱动器件，得到越来越广泛的应用。9 t% q8 u: u$ W9 b6 j8 H3 m3 k
7.1断路器永磁机构控制器的驱动电路
断路器永磁机构控制器，包括CPU模块、电容器模块、电力电子驱动模块、分合闸状态检测模块、电网三相电压和电流信号采集模块、液晶显示模块、通讯模块、手动控制模块和电源模块。系统中采用抗干扰的模块化设计，系统采用分块隔离干扰，模拟输入和数字输入分离以减小干扰，电路中加入光电隔离器件，有效地保护系统的安全。模块化设计具有灵活性、可扩展性和可移植性的好处，系统的设计便于在相关领域的借鉴和参考。
电力电子驱动模块主要由一对电力电子器件IGBT组成，分别通过光电隔离器件连接在MCU的分、合闸控制端口， CPU模块发出的控制信号经过整形、放大电路后驱动电力电子器件，分闸与合闸使用各自的IGBT器件，分别控制分闸与合闸线圈，控制信号触发IGBT导通从而接通分闸或合闸线圈回路，从而实现控制断路器永磁机构分合闸动作的目的，断路器动作完全之后，控制模块能够快速切断控制信号，也通知电容器组电路不再供电，具有很强的智能化和保护效果。电力电子器件是控制器的一个关键部件，在导通和关断过程中可能会产生瞬时的过电压，对系统元件会产生很大的冲击，发明中辅以设计了过压保护电路，可以保证驱动电路的稳定工作。
其中，利用IGBT设计断路器永磁机构控制器的驱动电路，结合DSP数据处理单元，用电力电子原件IGBT来驱动永磁机构线圈电流的通断，从而实现断路器永磁机构控制器的驱动电路的搭建。 15
图7.1 中心对称半桥结构永磁机构驱动电路
如图7.1是中心对称半桥结构永磁机构驱动电路图，该结构以永磁机构线圈为中心对称，和普通的半桥结构很类似。其中，合闸IGBT和分闸IGBT各有一个，分别串联在分闸与合闸线圈电路中，两端反向并联一个二极管，由中心控制电路发送的控制信号驱动而触发导通，从而控制分闸线圈或合闸线圈的导通。当合闸IGBT被触发导通时，线圈回路导通，电容器组对合闸永磁线圈放电，产生的电磁力驱动动触头向静触头运动，最终实现合闸动作，待合闸完毕之后迅速切断电路。同样，当分闸IGBT被触发导通时，因为分闸需要的驱动电流小于合闸电流，故设计中采用一个限流电阻限流，电容器组对分闸线圈放电，在线圈产生反向电流，完成分闸动作，分闸完毕迅速切断电路。电容器组为充放电电容，用来存储分合闸所需的电能充当电源。
7.2 变频调速系统
交流调速传动方式中，采用改变电动机的定子频率实现调速，变速系统已广泛应用于工业、交通运输、家用电器等各个领域，变频调速技术也是有效的节能技术之一。- [( U" J8 i* _' j8 y&&J1 `8 I! Y
变频器由整流器和逆变器构成。电压型逆变器的中间环节为大电容，逆变器的输入近似为一个电压源，如图7.2所示。若整流器采用PWM整流器，这样变频器中的整流器和逆变器都用PWM变流器实现。 16. g" c( w1 ~9 K. y
图7.2 变频器结构
对于你不电动机的定子频率控制方式，有恒压频比（V/f）控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
为实现电动机的正、反转，给定信号应可正可负，但电动机的专项由变频器输出电压的相序决定，而频率和电压给信号不需要反应极性，因此采用绝对值变换器，输出绝对值信号，经电压频率控制环节处理之后，得出电压及频率的指令信号，经PWM生成环节形成控制逆变器的PWM信号，再经过驱动电路控制变频器中IGBT的通断，使得变频器输出所需频率、相序和大小的交流电压，从而控制交流电动机的转速和转向。3 F+ C) I- w' _. R
7.3大功率商用电磁炉3 U7 W# v* F6 n3 j
随着IGBT驱动IC产品成熟，工作稳定，可靠性高，适用于各种环境，应用更加广泛。
IGBT模块是电磁炉的核心部件，IGBT驱动电路是大功率商用电磁炉（感应加热）关键部件，利用IGBT模块驱动IC，IGBT模块的驱动电路在整机造价中所占比重不大，但其作用是相当重要的，IGBT的设计好坏直接影响到整机的质量。% [$ L0 D$ P" g4 P& C; r# T# _7 ?
目前，生产了许多与大功率商用电磁炉研发的配套IGBT驱动IC，在实际中得到大量广泛应用。* `3 ^( c& F) ?, E( {* @2 A% I
8 结论; T9 L5 z) m( l1 G! H) a
综上论述，具体分析学习了电力电子器件IGBT的结构特点和工作原理，介绍了IGBT的经典驱动电路，在应用IGBT时应根据实际情况,采取相应的保护措施,保证IGBT安全可靠地工作。IGBT驱动电路在实践中很有应用价值的，使用时可根据器件容量或功能要求来选择不同的驱动电路。小容量的IGBT可选择直接驱动或隔离驱动，较大容量且要求保护功能完善的IGBT$ S, q" X2 E6 X/ z5 x) j% K( r
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选用集成模块控制的驱动电路。IGBT凭借其完善的功能特色，成为当代电力电子领域的新宠儿，必将成为未来一段时间内电力电子领域的核心驱动电子器件。智能化、模块化必将成为IGBT的发展热点，集成化的IGBT专用驱动电路，将促进其性能更好,整机的可靠性更高，使得IGBT的发展更进一步。
参 考 文 献
[1]徐德鸿.现代电力电子器件原理与应用技术[M].机械工业出版社， 2008.+ g7 }3 E5 {&&x4 N7 @$ m- i
[2]周志敏,周纪海,纪爱华. 逆变电源实用技术[M].中国电力出版社,2005 .
[3]王兆安,黄俊. 电力电子技术[M].机械工业出版社,2003.
[4]/view/1276871.htm: Y$ I/ e8 o& S: e% a
[5]http://fanzq2005./blog/static//
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