【正文】 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。 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(guò)高功耗，導(dǎo)致?lián)p壞。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(guò)溝道的電子電流為零，使 Ic 有一個(gè)突降。 （ 1） 當(dāng) UceO 時(shí)， J3 反偏，類(lèi)似反偏二極管， IGBT 反向阻斷 。 IGBT 的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。 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。 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(kāi)啟電壓 UGE（ th） ， IGBT 處于阻斷狀態(tài)。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。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(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)等特性。由此可見(jiàn)， IGBT 具有場(chǎng)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(kāi)關(guān)元件，它集合了場(chǎng)效應(yīng)管和雙極晶體管的雙重優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)通時(shí)間一般為 ∽ ，關(guān)斷時(shí)間 ∽ 4ｕｓ ,工作頻率可達(dá) 4OKHz。這是因?yàn)閺?P+基板經(jīng)過(guò) N+層向高電阻的 N層注入少量載流子的結(jié)果。正是由于 IGBT 是在 N溝道 MOSFET 的 N+基板上加一層 P+基板，形成了四層結(jié)構(gòu)，由 PNPNPN 晶體管構(gòu)成 IGBT。對(duì)于 P溝道，圖形符號(hào)中的箭頭方向恰好相反，如圖 34所示。 圖 3— 1 IGB丁結(jié)構(gòu)剖面圖 由圖 31 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 32 所示 。 電路 (a)三相整流器電路 （ b）工作波形 圖 11整流電路 5 3 IGBT 的特性及應(yīng)用要求 IGBT 的基本結(jié)構(gòu)及技術(shù)性能 基本結(jié)構(gòu) 絕緣柵雙極 性 晶體管本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè) P+型層 ，從而多了一個(gè)大面積的 P+N 結(jié) J1,這樣整個(gè)單胞成了 4層結(jié)構(gòu)并且存在 J J J3 三個(gè) PN 結(jié)。 PPFC 以其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在工程中，傳統(tǒng)的 PPFC 多采用 LC 濾波器形式，但濾波效果較差。 2 整流電路 整流電路簡(jiǎn)介 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)深入到電力、冶金、化工、通訊以及家電等各個(gè)領(lǐng)域。按20KHZ 設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備，其體積、重量只有 50HZ 同容量設(shè)備的二十分之一，這就是高頻電力電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很高效益的理論來(lái)源。對(duì)于一切傳統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)換電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)，如電動(dòng)機(jī)、電抗器、變壓器等，都要根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。另一種為調(diào)壓調(diào)頻電路，用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電力電子器件是逆變電源的功率器件，是面向負(fù)載的一端 。如，各種脈寬調(diào)制 (PWM)電路、零電壓零電流開(kāi)關(guān)諧振電路以及高頻斬波電路等已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要組成部分。由于 IGBT 的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型的功率電子元件。因此，評(píng)價(jià)器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開(kāi)關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。 2 1 緒論 1． 1 高頻電力電子器件的發(fā)展 七十年代以來(lái)，飛速發(fā)展的 集成電路微細(xì)加工技術(shù)被引入到電力半導(dǎo)體器件制造中來(lái)，使之同高電壓，大電流的設(shè)計(jì)制造技術(shù)相結(jié)合，跨入了功率集成的層次，從而使以晶閘管應(yīng)用為代表的低頻電力電子技術(shù)發(fā)展到高頻電力電子技術(shù)，成為舉世矚目的一種節(jié)能省材的高技術(shù)。 目前 ,頻率高于數(shù)百千赫茲、功率大于數(shù)千瓦的感應(yīng)加 熱電源 ， 多采用真空電子管去實(shí)現(xiàn) ， 而電子管不僅體積龐大、使用壽命短 ,而且轉(zhuǎn)換效率低 。 1 前言 感應(yīng)加熱具有加熱速度快、熱效率高、適用于局部加熱、產(chǎn)品質(zhì)量好、無(wú)環(huán)境污染、易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn) ， 其功率密度在被加熱工件內(nèi)的分布可方便地通過(guò)頻率的選擇和感應(yīng)圈的合理設(shè)計(jì)而得到 。 一般情況下 ,在工作過(guò)程中需要操作工人適時(shí)調(diào)整逆變角 ， 這不但增加了操作的復(fù)雜性 ,效果也不很理想 ?？梢哉f(shuō)， 70 年代評(píng)價(jià)電力電子器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是大容量，即電流 *電壓。 作為在國(guó)際上已取得廣泛應(yīng)用電力電子器件的前期產(chǎn)品 GTO、 GTR、 MOSFET正向著產(chǎn)品多樣化，結(jié)構(gòu)模塊化、復(fù)合化，特性參數(shù)高電壓、大電流等特點(diǎn)發(fā)展，適用于大容量設(shè)備，但由于其電流增益太低，所需驅(qū)動(dòng)功率也較大，驅(qū)動(dòng)復(fù)雜，應(yīng)用受到一定局限。絕緣柵雙集型晶體管 IGBT 便是在 GTR和 MOSFET 之間取其長(zhǎng)，避其短而出現(xiàn)的新器件。所有這些表明，對(duì)于需要高中壓大電流密度并且開(kāi)關(guān)頻率在 20 至 50KHZ 的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)， IGBT 是一種很好的選用器件。這些新型電路的主要作用是使直流逆變成各種頻率的交流。驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是微電子器件，是面向電子控制的一端 。調(diào)壓調(diào)頻作為逆變器的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域有了較大發(fā)展，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，已形成了較完整的電力變頻產(chǎn)業(yè)體系。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展和逆變技術(shù)的推廣使用，以及新型高頻鐵磁材料的發(fā)展，人們正在提高這個(gè)工作頻率的范圍，供電頻率的提高，意味著體積、重量的減小 。 在高頻下，變壓器的重量、體積可以幾十倍地縮小，再在高頻下整流，濾波器大為減輕，紋波也大幅度的 減小了。在電力電子裝置中，由電容濾波、二極管構(gòu)成的三相不控整流電路所占應(yīng)用比例越來(lái)越高。為此提出了一種近正弦輸入三相整流器（ RNSIC），它在傳統(tǒng)不控整流橋的交流側(cè)每相各串聯(lián)一個(gè)電感，在每個(gè)整流二極管上各并聯(lián)一個(gè)電容，以便在該相二極管關(guān)斷期間為電流提供通道，使得輸入電流連續(xù)，進(jìn)而提高功率因數(shù)。由圖 31 可見(jiàn)， IGBT 與 MOSFET 上 半部分基本是相同的，因此和 MOSFET 一樣，凡是電子從發(fā)射極流出的成為 N 溝道型，而空穴從發(fā)射極流出的成為 P 溝道型。 IGBT 是以 GTR 為主導(dǎo)件、 MOSFET 為驅(qū)動(dòng)件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 圖 32 IGBT的簡(jiǎn)化等效電路 6 （ a） （ b） 圖 33 NIGBT的圖形符號(hào) 圖 34 PIGBT的圖形符號(hào) IGBT 的開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。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 的設(shè)計(jì)是通過(guò) PNPNP 晶體管的連接形成晶閘管。在并聯(lián)應(yīng)用時(shí)具有電流自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，不需另加均流措施。 見(jiàn)表 31 所列 IGBT 與場(chǎng)效應(yīng)管及雙極晶體管的特性比較 ，由表 31IGBT與場(chǎng)效應(yīng)管及雙極 性 晶體管的性能比較可見(jiàn) : （ 1） 具有較強(qiáng)的對(duì)電壓和電流的承受能力 (與 GTR 相似 )。 1GBT 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。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) 。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(kāi)啟電壓 UGE（ th）時(shí)， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。 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。 （ 2） 當(dāng) UceO時(shí)，在 UgUth的情況下，溝道未形成， IGBT正向阻斷 。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。 因此， IGBT 在使用過(guò)程中，應(yīng)注意防止過(guò)高的 du/dt 和過(guò)大的過(guò)載電流。 圖 38 IGBT的安全工作區(qū) 10 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 38 所示。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) 。 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。 (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。Rg 過(guò)大，器件的開(kāi)關(guān)速度降低，開(kāi)關(guān)損耗增大 。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(kāi)通和加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷損耗，幅值一般為 5∽ 10V。目前使用的隔離方式有光電隔離和變壓器隔離?，F(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩類(lèi)。 12 開(kāi)關(guān)電源 在電力電子裝置中一般都由電力電子器件組成的橋路作為主回路，要求多路獨(dú)立的直流電源，如采用線性電源，整個(gè)裝置的體積、重量非常大，那就需要體積小的可靠電源于是引進(jìn)了直流開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。 （ 4） 安全可靠。 柵極驅(qū)動(dòng)電壓 由 IGBT 的結(jié)構(gòu)及對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求可知，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓大于門(mén)檻電壓時(shí)，IGBT 開(kāi)通，當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓為零時(shí)， IGBT 關(guān)斷。在關(guān)斷時(shí)為盡快抽取 PNP 管中的存儲(chǔ)電荷，必須加一負(fù)偏壓 UGE，但它受 IGBT 的 G E間最大反向耐壓的限制，一般取 2 13 ∽ 10V 為好。 柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對(duì) IGBT 關(guān)斷過(guò)程的影響相對(duì)于開(kāi)通來(lái)說(shuō)要小 ， 一些柵極串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速度和減小關(guān)斷損耗 ， 也有利于避免關(guān)斷時(shí)集電極電壓的 dv/dt 過(guò)高 ， 造成 IGBT 誤開(kāi)通 ， 但 Rg 過(guò)小會(huì)由于集電極電流下降的 di/dt 過(guò)大產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰 。 取高頻一般為大于 15KHz 的工作頻率 ， 低頻為小于 5KHz 的工作頻率 ， 如工作頻率在這兩個(gè)頻率之間可取折衷值 。 IGBT 屬于電壓控制型器件 ， 當(dāng)柵射極間加有高壓時(shí)很容易受外界干擾 ， 使柵射電壓超過(guò) Uge（ th） 引起器件誤導(dǎo)通 ， 尤其在有上下橋臂的電路中 ， 易造成同臂導(dǎo)通 。 驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn) 根據(jù)以上對(duì) IGBT 結(jié)構(gòu)特性對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求及驅(qū)動(dòng)電路中主要參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路性能影響的分析 ,研究設(shè)計(jì)了一個(gè)適合 1200V/400A 的 IGBT 的