【正文】 電流為元件中的晶體管提供基極電流，使晶體管導(dǎo)通，這就是 IGBT 的工作過程。由此可見， IGBT 具有場效應(yīng)管的輸入特性，既所需觸發(fā)功率小 ； 同時(shí)具有雙極 性 晶體管的輸出特性，即控制電流的能力強(qiáng)，作為大功率開關(guān)元件，它集合了場效應(yīng)管和雙極晶體管的雙重優(yōu)點(diǎn)。 見表 31 所列 IGBT 與場效應(yīng)管及雙極晶體管的特性比較 ，由表 31IGBT與場效應(yīng)管及雙極 性 晶體管的性能比較可見 : （ 1） 具有較強(qiáng)的對(duì)電壓和電流的承受能力 (與 GTR 相似 )。 （ 2） 具有輸入阻抗高、易于驅(qū)動(dòng)、安全工作區(qū)寬 、峰值電流容量大和高可靠性 (與 MOSFETX 相似 )。 表 3— 1 IGBT與 GTR、 MOSFET的特性比較 器件名稱 GTR MOSFET IGBT 最大開關(guān)速度 50K 20M 50K 安全工作區(qū) 小 大 大 額定電流密度 20A∽ 30A 5A∽ 10A 50A∽ 100A 驅(qū)動(dòng)功率 大 小 小 驅(qū)動(dòng)方式 電流 電壓 電壓 高壓化 易 難 易 大電流化 易 難 易 飽和壓降 極低 高 低 并聯(lián)使用 較易 易 易 當(dāng)然， IGBT 開關(guān)速度不如 MOSFET，但其優(yōu)越的通態(tài)特性及綜合實(shí)力，使之成為 大功率開關(guān)電源、逆變器等電力子裝置的理想功率器件。在以后章節(jié)中我們將在實(shí)際設(shè)計(jì)中繼續(xù)介紹 IGBT 的驅(qū)動(dòng)、過壓保護(hù)和過流保護(hù)等特性。 1GBT 的工作原理和工作特性 IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng) MOSFET 的溝道形成后，從 P+基極注入到 N 一層的空穴，對(duì) N層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N層的電阻，使 IGBT在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類 : （ 1） 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 UGE為參變量時(shí)，漏極電流 IC與 集射 電壓 UCE之間的關(guān)系曲線。 如圖 35 所示， IGBT 的伏安特性與 BJT 的輸出特性相似，不同之處在于控制變量是柵射電壓 UGE，而 BJT 是基極電流 IB。 IGBT 的伏安特性也 8 可分為飽和區(qū)、擊穿區(qū)和放大區(qū) 3 個(gè)部分，只要柵射電壓 UGE小于柵射極開啟電壓 UGE（ th） ， IGBT 處于阻斷狀態(tài)。當(dāng) UGE UGE（ th） 時(shí)， VMOS 溝道體區(qū)形成導(dǎo)電溝道，IGBT 進(jìn)入正向?qū)щ姞顟B(tài) 。在正向?qū)ǖ拇蟛糠謪^(qū)域內(nèi)， IC與 UCE成線性關(guān)系，此時(shí) IGBT 工作于放大區(qū)，對(duì)應(yīng)于伏安特性上明顯彎曲部分，兩者成非線性關(guān)系，此時(shí) IGBT 工作于飽和區(qū)。 開關(guān)器件 IGBT 常工作于飽和狀態(tài)與阻斷狀態(tài)，若 IGBT工作于放大區(qū)，將會(huì)增加 IGBT 的損耗。 IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出 集電極 電流 Ic 與柵射 電壓 UGE之間的關(guān)系曲線。如圖 36 所示， 它與 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵射 電壓小于開啟電壓 UGE（ th）時(shí)， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后 的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Ic 與 UGE呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為 15V 左右。 IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。 如圖 37 所示， IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。 圖 35 IGBT伏安特性 圖 36 IGBT轉(zhuǎn)移特性 圖 37 IGBT開關(guān)特性 IGBT 的 擎住效應(yīng)與安全工作區(qū) 9 擎住效應(yīng) 在分析擎住效應(yīng)之前，我們先回顧一下 IGBT 的工作原理 (這里假定不發(fā)生擎住效應(yīng) )。 （ 1） 當(dāng) UceO 時(shí)， J3 反偏，類似反偏二極管， IGBT 反向阻斷 。 （ 2） 當(dāng) UceO時(shí)，在 UgUth的情況下，溝道未形成， IGBT正向阻斷 。在 UgUth情況下，柵極的溝道形成， N+區(qū)的電子通過溝道進(jìn)入 N漂移區(qū)，漂移到 J3 結(jié)，此時(shí) J3 結(jié)是正偏，也向 N區(qū)注入空穴，從而在 N區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使 IGBT 正向?qū)ā? （ 3） IGBT 的關(guān)斷。在 IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，當(dāng)柵極電壓減至為零，此 時(shí)Ug=0Uth，溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使 Ic 有一個(gè)突降。但由于 N一區(qū)注入大量電子、空穴 ， IC不會(huì)立刻為零，而有一個(gè)拖尾時(shí)間。 IGBT 為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個(gè)奇生晶體管， 在 NPN 晶閘管 的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè) 體區(qū)短路電阻 ，在此電阻上 ， P 型 區(qū)的橫向空穴會(huì)產(chǎn)生一定壓降，對(duì) J3 結(jié)來說，相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不大， NPN 晶體管 不 會(huì)導(dǎo)通 ，當(dāng) Ic 大到一定程度時(shí)，該正偏置電壓足以使NPN 晶體管 開通，進(jìn)而使 NPN 和 PNP晶體管 處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶體管開通，柵極失去 控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng) 。 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后， 造成導(dǎo)通狀態(tài)鎖定，集電 極電流增大，造成過高功耗，導(dǎo)致?lián)p壞。 因此， IGBT 在使用過程中，應(yīng)注意防止過高的 du/dt 和過大的過載電流。 安全工作區(qū) 安全工作區(qū) (SOA)反映了一個(gè)晶體管同時(shí)承受一定電壓和電流的能力。 IGBT開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū) (FBSOA)，由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大漏極電流 Icm是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而設(shè)定的，最大 集射 電壓 Ucem 是由 IGBT 中晶體管 PNP的 擊穿電壓所確定，最大功耗則是由最高允許結(jié)溫所決定。 圖 38 IGBT的安全工作區(qū) 10 導(dǎo)通時(shí)間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)則越窄，如圖 38 所示。 IGBT 的反向偏置安全工作區(qū) (RBSOA)如圖 38b所示，它隨 IGBT關(guān)斷時(shí)的 dU/dt而改變， dU/dt越高， RBSOA 越窄。 IGBT 應(yīng)用的保護(hù)措施 IGBT 通常使用在開關(guān)電源裝置中 ,由于它工作在高頻、高壓、大電流場所 ,所以容易損壞。另外 ,器件作為電源的前級(jí) ,受電網(wǎng)波動(dòng)、諧波、雷擊等原因 ,使其承受較強(qiáng)的短路電流 ,因此產(chǎn)生很大應(yīng)力更易使 IGBT 失效。所以增強(qiáng) IGBT 保護(hù)以提高器件的可靠性 ,通常從以下幾 個(gè) 。 IGBT 器件防靜電 由于 IGBT 是功率 MOSFET 和 PNP 雙極晶體管的復(fù)合體 ,特別是柵極為 MOS 結(jié)構(gòu) ,對(duì)靜電壓十分敏感。如需用手接觸 IGBT 前 ,應(yīng)先將人體靜電放電后再行操作 ,尤其是器件驅(qū)動(dòng)端子部分 。另外用 IGBT 制作的電源設(shè)置一定要有可靠的接地措施 。 柵極驅(qū)動(dòng)布線 在柵極驅(qū)動(dòng)電路中 ,合理的布局對(duì)防止?jié)撛诟蓴_ ,減少噪聲損耗和減小驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)動(dòng)作次數(shù)有較大影響 ,因此驅(qū)動(dòng)電路布線需注意以下幾方面 : (1)驅(qū)動(dòng)電路連線盡可能短。將驅(qū)動(dòng)電路、吸收電路布置在同一塊 PCB 板上 ,并裝 IGBT 器件 是最佳方案。 (2)如果不能直接布置在同一個(gè) PCB 板上 ,驅(qū)動(dòng)連線通常采用雙絞線 (≥ 2 r/cm),并合理放置柵極驅(qū)動(dòng)電路板或合理屏蔽驅(qū)動(dòng)電路 ,以防止主電路和驅(qū)動(dòng)、控制電路的相互干擾。 (3)在布線時(shí)盡量減少寄生電容 ,以避免高端和低端回路 ,因寄生電容的存在耦合 du/dt 產(chǎn)生干擾。 (4)采用光耦隔離控制與高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí) ,應(yīng)選擇共模抑制比大于 10 kV/μ s的高速光 耦。 4 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的研究及設(shè)計(jì) IGBT 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求 (l)觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要陡峭 。 (2)柵 極串連電阻 Rg 要恰當(dāng)。 Rg 過小，關(guān)斷時(shí)間過短，關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的集電極尖峰電壓過高 。Rg 過大，器件的開關(guān)速度降低，開關(guān)損耗增大 。 (3)柵射電壓要適當(dāng)。增大柵射正偏壓對(duì)減小開通損耗和導(dǎo)通損耗有利，但 11 也會(huì)使管子承受短路電流的時(shí)間變短，續(xù)流二極管反向恢復(fù)過電壓增大。因此，正偏壓要適當(dāng)，通常為 +15V 左右 。為了保證在 CE 間出現(xiàn) dv/dt 噪聲時(shí)可靠關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)必須在柵極施加負(fù)偏壓，以防止受到干擾時(shí)誤開通和加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗，幅值一般為 5∽ 10V。 (4)當(dāng) IGBT 處于負(fù)載短路或過流狀態(tài)時(shí)，能在 IGBT 允許時(shí)間內(nèi) 通過逐漸降低柵壓自動(dòng)抑制故障電流，實(shí)現(xiàn) IGBT 的軟關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷過程不應(yīng)隨輸入信號(hào)的消失而受到影響。 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的分析研究 輸入輸出隔離電路 在許多電路中 IGBT 與工頻電網(wǎng)有直接電聯(lián)系，在一些電路中，如橋式逆變器 IGBT 的工作電位差很大，但無論何種工作方式都不允許控制電路與其直接耦合，以免產(chǎn)生干擾影響設(shè)備工作的穩(wěn)定性，因此驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入輸出要有足夠的電隔離能力。目前使用的隔離方式有光電隔離和變壓器隔離。 IGBT 一般工作于高頻開關(guān)狀態(tài)， IGBT 的快速通斷會(huì)導(dǎo)致電位 的突變及干擾信號(hào)的存在而引起振蕩脈沖，變壓器對(duì)噪聲電壓的敏感程度比光耦元件低的多，并且絕緣程度高，但其只能傳送交流信號(hào) ， 就是要求有一個(gè)大占空比 ， 變壓器的恒定伏秒特性會(huì)導(dǎo)致高電壓幅值 ， 所以驅(qū)動(dòng)電路中的變壓器限用 50%占空比或正負(fù)脈沖寬度應(yīng)大致相等 。 這又受到管子本身的驅(qū)動(dòng)電壓所限 ， 對(duì)于大的占空比用變壓器隔離不能滿足 ， 光電隔離則沒有此限制 ， 另外變壓器體積大不利于規(guī)范生產(chǎn)因此在此選用光電耦合器作為輸入輸出隔離器件 ， 為了提高傳輸速度選用快速光耦 TLP550。 電源是電子設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)部件，其質(zhì)量的 好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障 60%來自電源，因此電源越來越受到 人們的重視?，F(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性電源和開關(guān)電源兩類。 線性電源 所謂線性穩(wěn)壓電源就是主調(diào)節(jié)元件為工作在放大區(qū)的晶體管 。用工頻變壓器將交流電壓變?yōu)樗璧臄?shù)值并實(shí)現(xiàn)輸入和輸出間的電隔離，這種電源電路簡單造價(jià)低，以前的裝置大多采用線性電源。線性電源的主要缺點(diǎn)是： 1 需要低頻變壓器而低頻變壓器與高頻變壓器相比體積大且重量重 2晶體管工作在線性區(qū)晶體