【正文】 檢測(cè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ( P 一 MOSFET ）的好壞。然后再用手指同時(shí)觸及一下柵極（ G ）和發(fā)射極（ E ) ，這時(shí) IGBT 被阻斷，萬(wàn)用表的指針 回零。其余兩極再用萬(wàn)用表測(cè)量，若測(cè)得阻值為無(wú)窮大，調(diào)換表筆后測(cè)量阻值較小。檢測(cè)前先將 IGBT 管三只引腳短路放電，避免影響 檢測(cè)的準(zhǔn)確度；然后用指針萬(wàn)用表的兩枝表筆正反測(cè) G、 e兩極及 G、 c 兩極的電阻，對(duì)于正常的 IGBT 管（正常 G、 C 兩極與 G、 c兩極間的正反向電阻均為無(wú)窮大；內(nèi)含阻尼二極管的 IGBT 管正常時(shí)， e、 C極間均有 4kΩ正向電阻），上述所測(cè)值均為無(wú)窮大；最后用指針萬(wàn)用表的紅筆接 c極，黑筆接 e極，若所測(cè)值在 3． 5kΩ l左右，則所測(cè)管為含阻尼二極管的 IGBT 管，若所測(cè)值在 50kΩ左右，則所測(cè) IGBT 管內(nèi)不含阻尼二極管。導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)則越窄，如圖 2－ 61。 值得指出的是，動(dòng)態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住所允許的要小，故生產(chǎn)廠(chǎng)家所規(guī)定的 Id值是按動(dòng)態(tài)擎住所允許的最大漏極電流來(lái)確定的。可見(jiàn)，漏極電流有一個(gè)臨界值 Idm 。但由于 N 一 區(qū)注入大量電子、空穴對(duì)， IC不會(huì)立刻為零，而有一個(gè)拖尾時(shí)間。 4 IGBT的擎住效應(yīng)與安全工作區(qū) 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)）。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間 ton即為 td (on)tri之和。 由于 N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT的通態(tài)壓降小，耐壓 1000V的 IGBT通態(tài)壓降為 2～ 3V。 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。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電 壓 Ugs(th)時(shí)， IGBT處于關(guān)斷 w w 3 狀態(tài)。它與GTR的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū) 放大區(qū) 2和擊穿特性 3部分。 當(dāng) MOSFET的溝道形成后，從 P+基極注入到 N 一層的空穴（少子），對(duì) N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT在高電壓 時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。 IGBT 的設(shè)計(jì)是通過(guò)PNP－ NPN晶體管的連接形成晶閘管。但是， NPN晶 體管和發(fā)射極由于鋁電極短路，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使 NPN不起作用。 IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。 2 N溝道 IGBT的圖形符號(hào)有兩種，如圖 2－ 56。它在結(jié)構(gòu)上類(lèi)似于 MOSFET，其不同點(diǎn)在于IGBT是在 N溝道功率 MOSFET的 N+基板（漏極）上增加了一個(gè) P+基板（ IGBT 的集電極），形成 PN結(jié) j1，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與 MOSFET 相似。 為了兼顧長(zhǎng)期以來(lái)人們的習(xí)慣， IEC規(guī)定：源極引出的電極端子（含電極端）稱(chēng)為發(fā)射極端（子），漏極引出的電極端（子）稱(chēng)為集電極端（子）。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) IEC／ TC（ CO） 1339文件建議，其各部分名稱(chēng)基本沿用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的相應(yīng)命名。 圖 2－ 53所示為一個(gè) N溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+區(qū)稱(chēng)為源區(qū)，附于其上的電極稱(chēng)為源極。在漏、源之間的 P型區(qū)（包括 P+和 P 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱(chēng)為亞溝道區(qū)（ Subchannel region） 。這又回到雙極晶體管的術(shù)語(yǔ)了。 由圖 2－ 5 4可以看出， IGBT相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET 驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū) GTR，其簡(jiǎn)化等效電路如圖 2－ 55 所示。所示。當(dāng)柵極加正電壓時(shí)， MOSFET內(nèi)形成溝道，并為 PNP晶體管提供基極電流，從而使 IGBT導(dǎo)通，此時(shí)，從 P+區(qū)注到 N 一 區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少 N一 區(qū)的電阻 Rdr值，使高耐壓的 IGBT也具有低的通態(tài)壓降。所以說(shuō)， IGBT的基工作與 NPN晶體管無(wú)關(guān)，可以認(rèn)為是將 N溝道 MOSFET作為輸入極， PNP晶體管作為輸出極的單向達(dá)林頓管。 IGBT 的工作原理和工作特性 IGBT的開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)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。 IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)： 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(kāi)關(guān)特性。在截止?fàn)顟B(tài)下的 IGBT，正向電壓由 J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由 J1結(jié)承擔(dān)。在 IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id與 Ugs呈線(xiàn)性關(guān)系。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò) MOSFET的電流成為 IGBT總電流的主要部分。 IGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。漏源電壓的下降時(shí)間由 tfe1和 tfe2組成，如圖 2－ 58所示 IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍? 1．當(dāng) Uce＜ 0時(shí)， J3反偏，類(lèi)似反偏二極管， IGBT 反向阻斷； 2．當(dāng) Uce ＞ 0時(shí)，在 UcUth 的情況下，溝道未形成， IGBT正向阻斷；在 Ug＞Uth情況下，柵極的溝道形成， N+區(qū)的電子通過(guò)溝道進(jìn)入 N一 漂移區(qū)，漂移到 J3結(jié)，此時(shí) J3結(jié)是正偏，也向 N 一 區(qū)注入空穴，從而在 N一 區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使 IGBT正向?qū)ā? IGBT為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個(gè)奇生晶體管，其等效電路如圖 2－ 60 所示。 當(dāng) Id＞ Idm時(shí)便會(huì)產(chǎn)生擎住效應(yīng)。 w 5 安全工作區(qū) 安全工作區(qū)（ SO A ）反映了一個(gè)晶體管同時(shí)承受一定電壓和電流的能力。所示。對(duì)于數(shù)字萬(wàn)用表，正常情況下， IGBT 管的 C、C極問(wèn)正向壓降約為 0． 5V。在測(cè)量阻值較小的一次中，則判斷紅表筆接的為集電極（ C ) ：黑表筆接的為發(fā)射極（ E ）。此時(shí)即可判斷 IGBT 是好的。 6 IGBT 的選擇及計(jì)算分析 在直接串聯(lián)技術(shù)選用什么樣的功率開(kāi)關(guān)器件對(duì)決定變頻器的性?xún)r(jià)比至關(guān)重要。在 20 世紀(jì) 50 年代出現(xiàn)了硅晶閘管 (SCR)； 60 年代出現(xiàn)可關(guān)斷晶閘管 (GTO 晶閘管 )； 70 年代出現(xiàn)了高功率晶體管 (GTR)和功 率場(chǎng)效應(yīng)管 (MOSFET)； 80 年代相繼出現(xiàn)了絕緣柵雙極功率晶體管 (IGBT)以及門(mén)控晶閘管 (IGCT)和電力加強(qiáng)注入型絕緣柵極晶體管（ IEGT）， 90 年代出現(xiàn)智能功率模塊 (IPM)。設(shè)電機(jī)功率因數(shù)為 ，載波頻率為 3kHz，輸出頻率為 50Hz，采用下列公式分別用不同功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成變頻器的一個(gè)開(kāi)關(guān)組件的指標(biāo)進(jìn)行估算。 IEGT 我們選擇 ST750GXH21 型號(hào)，其相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)如下： Icp=750A Uce= Ucc=2400V Esw(on)= Esw(off )=3J 則 Pss= Icp Uce（ sat） = 750 =481W Psw= （ Esw(on) + Esw(off)） = （ +3） =5255W P c4=Pss+Psw=481+5255=5736W 因其工作電壓 Ucc=2700V，則用 3只 FZ400R17E3 串聯(lián)后兩串再并聯(lián)。1597=2 6500V IGBT Pc3/Pc1=6241247。 1700V IGBT，批量生產(chǎn)技術(shù)成熟，質(zhì)量可靠，貨源充分，國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)難度較低，不受制于人，特別是用于軍事上時(shí)。其頻率特性介于 MOSFET 與功率晶體管之間，可正常工作于幾十 kHz 頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。在過(guò)流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過(guò)高的電流變化率會(huì)引起過(guò)電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好 IGBT 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是十分必要的。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒(méi)有超過(guò)柵極 最大額定電壓，但柵極連線(xiàn)的寄生電感和柵極－集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。 由于 IGBT 的柵極－發(fā)射極和柵極－集電極間存在著分布電容 Cge 和 Cgc，以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感 Le，這些分布參數(shù)的影響，使得 IGBT 的實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于 IGBT 開(kāi)通和關(guān)斷的因素。從此時(shí)開(kāi)始有 2 個(gè)原因?qū)е?uge 波形偏離原有的軌跡。顯然，柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)一直維持到 t3 時(shí)刻， uce 降到零為止。為了減緩此效應(yīng)，應(yīng)使 IGBT 模塊的 Le 和 Cgc 及柵極驅(qū)動(dòng)電 路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開(kāi)通速度。為了減小此影響，一方面應(yīng)選擇 Cgc 較小的 IGBT 器件；另一方面應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗，使流入 Cgc 的充電電流增加，加快了 uce 的上升速度。一般取 15V。由圖中還可看出，若十 Uge 固定不變時(shí)，導(dǎo)通電壓將隨漏極電流增大而增高，開(kāi)通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。 IGBT 的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少子的復(fù)合速率，少子的復(fù)合受 MOSFET 的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動(dòng)對(duì) IGBT 的關(guān)斷也有影響。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。因此對(duì)串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行全面綜合的考慮。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率，對(duì)于電流容量大的IGBT 器件，應(yīng)提供較大的前后沿充電電流。具體關(guān)系如圖 264 。然而，對(duì)于 IGBT 來(lái)說(shuō)， 正如圖 2 － 63 和圖 2 － 64 所示，門(mén)極驅(qū)動(dòng)條件僅對(duì)其關(guān)斷特性略有影響。從圖 5 中我們看出 ,在同樣的集電極電流下 , U GE= 15 V 時(shí)對(duì)應(yīng)的 U CE明顯比 UGE= 10 V 的 UCE小 ,一 12 般而言 , UGE越大 , UCE越 小 ,通態(tài)功耗越小 ,所以一般希望有較高的柵極電壓以提高變換器的整機(jī)效率 。20 V 。當(dāng) U GE負(fù)偏壓較大時(shí) ,該電流還不足以使柵極電位升得太高 。但工作在幾十千赫的開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí) ,為了防止柵極電容和驅(qū)動(dòng)電路的分布電感產(chǎn)生自激振蕩 ,一般要在柵極串聯(lián)消振電阻 RG,用來(lái)降低振蕩回路的 Q 值 ,破壞自激振蕩的條件。此電阻一般為幾十千歐 。下面給出了不同功率等級(jí)的驅(qū)動(dòng)電路選擇和設(shè)計(jì)的正確計(jì)算的步驟 。除此之外，在設(shè)計(jì)中至少我們知道在應(yīng)用中所需的門(mén)極電壓（例如 177。（見(jiàn)圖 1）利用公式 CIN＝ Q/ΔU。在測(cè)量電路中，一個(gè) 25V 的電壓加在集電極 ―C‖上，在這種測(cè)量構(gòu)架下，所測(cè)結(jié)電容要比 Vce＝ 0V 時(shí)要小一些。比如，在 177。CIN 注意：這個(gè)功率是表示在電路中 實(shí)際需要的，而在驅(qū)動(dòng)電路中的其它損耗（包括供電電源損耗）不包含在內(nèi)。 Concept 驅(qū)動(dòng)板靜態(tài)損耗描述如下： IHD215/280/680 每個(gè)通道 IHD580FX 每個(gè)通道 IGD608/615AX 整個(gè)板 IGD508/515EX（無(wú)光藕元件） 14 在 IGD508/515 中，光藕的發(fā)送及接收所損失的功率應(yīng)被計(jì)算在內(nèi)。 4． 4門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)器的最大輸出電流必須大于等于實(shí)際所需的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流。 4． 5驅(qū)動(dòng)板的選擇 選擇一個(gè)功率等級(jí)的驅(qū)動(dòng)板，必須注意一下幾點(diǎn)： 1） 驅(qū)動(dòng)板必須提供所需的功率； 2） 最大的輸出 電流必須大于等于實(shí)際所需的 IGBT 門(mén)極電流。 注意：由于內(nèi)部有 DC/DC 變換器，驅(qū)動(dòng)板的輸入電流紋波，可以通過(guò)在副邊加低電感電容和選擇低 ESR 方式就近驅(qū)動(dòng) IGBT 以減少引線(xiàn)長(zhǎng)度來(lái)降低。15V時(shí)，同樣依據(jù)以上計(jì)算。 尤其是在電機(jī)控制 ,中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域發(fā)展迅速 .IGB T 是通過(guò)對(duì)基極電流的控制來(lái)控制其集電極電流通、斷的電流放大型開(kāi)關(guān)元件 . 工作條件合適時(shí) ,其工作頻率可高達(dá) 20 k Hz. 但在應(yīng)用 I GB T 的過(guò)程中 ,發(fā)現(xiàn)了一系列問(wèn)題 ,如過(guò)電流保護(hù) 、 過(guò)電壓保護(hù)和驅(qū)動(dòng)問(wèn)題 . 如果沒(méi)有一個(gè)正確的驅(qū)動(dòng)電路 ,沒(méi)有一定的合理的保護(hù)措施 ,要在如此高的頻率下工作是不可能的 . I GB T 對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求 由于 IGB T的輸入特性幾乎與 MOSF ET 相同 ,所以 MOSF ET 的驅(qū)動(dòng)電路同樣適用于 IGBT. 但是 I GBT畢竟不同于 MOSF ET ,它對(duì)驅(qū)動(dòng)電路有如下要求 。 5． 1. 4 驅(qū)動(dòng)電路必須與主電路隔離 I GB T 工作在高頻交流信號(hào)下與電網(wǎng)相連 ,而控制回路受低信號(hào)控制 ,因而要求控制回路與主電路隔離 ,這樣保證設(shè)備和人身的安全 . 為了保證驅(qū)動(dòng)電路和主電路之間信號(hào)傳輸?shù)臅惩o(wú)阻 ,常采用光電耦合和變壓器耦合方式 . 5． 1. 5 輸出與輸入必須有較好的跟隨性 使輸出隨輸入信號(hào)變化無(wú)延時(shí) ,一方面減少系統(tǒng)的響應(yīng)滯后 ,另一方面能提高系統(tǒng)保護(hù)的快速性 。 5． 3. 2 I GB T 驅(qū)動(dòng)器選擇 目前市場(chǎng)上可見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器 : 光電耦合隔離驅(qū)動(dòng)器有日本富士 EXB841 ， 中國(guó)西安 HL402， 日本英達(dá) HR065 等 . 變壓器隔離式驅(qū)動(dòng)器有美國(guó) U nit rode 公司 U C3724 3725 系列 ， 還有專(zhuān)用的用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂上 2 個(gè) I GB T 的 IR2110. 這是美國(guó) IR 公司的產(chǎn)品 ,德國(guó)西門(mén)子公