【文章內(nèi)容簡介】 圖焊接成電路板，在焊接的時候不斷調(diào)試，改進(jìn)一定的參數(shù)，最后驗(yàn)證相應(yīng)的功能。 研究方法 本項(xiàng)目將研制出適用于各類 IGBT 的驅(qū)動電路及其典型的應(yīng)用電路 。在研制過程中，采取實(shí)驗(yàn)測試和調(diào)試的方法。 首先建立 IGBT 電學(xué)特性分析模型，根據(jù)對電特性的分析，設(shè)計(jì)出滿足要 求，即有過熱、過流、欠壓、過流檢測等功能的智能化驅(qū)動電路，再進(jìn)行電路焊接，并通過電路板實(shí)際測試和調(diào)試，達(dá)到所需的要求。 6 第 2 章 IGBT 原理和 驅(qū)動 條件 原理與特性 IGBT 將單極型和雙極型器件的各自優(yōu)點(diǎn)集于一身，揚(yáng)長避短，使其特性更加優(yōu)越，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展很快，應(yīng)用很廣 。 IGBT 的工作原理 絕緣柵雙極晶體管簡稱 IGBT，是由 MOSFET 和晶體管技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型器件，是 80 年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件，在電機(jī)控制、中 頻和開關(guān)電源，以及要求快速、低損耗的領(lǐng)域備受青睞。 圖 21 為 IGBT 的結(jié)構(gòu)剖面圖。由圖可知， IGBT 是在功率 MOSFET 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者結(jié)構(gòu)十分相似，不同之處是 IGBT 多了一個 P﹢層發(fā)射極，可形成 PN 發(fā)射結(jié)J1， 并由此引出漏極；門極和源極與 MOSFET 相似。 圖 21 NPT 型 IGBT 的結(jié)構(gòu)剖面圖 IGBT 按緩沖區(qū)的有無來分類，緩沖區(qū)是介于 P﹢發(fā)射區(qū)和 N﹣漂移區(qū)之間的 N﹢層。無緩沖區(qū) N﹢者稱為對稱型 IGBT，也稱為非穿痛型 IGBT；有 N﹢緩沖區(qū)者稱為非對稱型 IGBT，也稱為穿通型 IGBT。因?yàn)闃?gòu)造不同造成其特性的不同，非對稱型 IGBT 由于存在 N﹢區(qū)，反向阻斷能力弱，但其正向壓降低、關(guān)斷時間短、關(guān)斷時尾部電流小。與 7 之相反，對稱型 IGBT 具有正反向阻斷能力，其他特性不及非對稱型 IGBT。 從結(jié)構(gòu)圖可以看出， IGBT 相當(dāng)于一個由 MOSFET 驅(qū)動的厚基區(qū) GTR，其等效電路如圖 22a 所示， N 溝道 IGBT 圖形符號如圖 22b 所示。對于 P 溝道 IGBT，其圖形符號中的箭頭方向恰好相反。圖中的電阻 drR 是厚基區(qū) GTR 基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。 IGBT 是以GTR為主導(dǎo)元件， MOSFET為驅(qū)動元件的達(dá)淋頓結(jié)構(gòu)。圖示器件為 N溝道 IGBT， MOSFET為 N 溝道型， GTR 為 PNP 型。 圖 22 IGBT 的簡化等效電路與 IGBT 的圖形符號 a) 等效電路 b)圖形符號 IGBT 的開通和關(guān)斷是由門極電壓來控制的。門極施以正電壓時， MOSFET 內(nèi)形成溝道，并以 PNP 晶體管提供基極電流，從而使 IGBT 導(dǎo)通。在門極上施以負(fù)電壓時，MOSFET 內(nèi)的溝道消失 ， PNP 晶體管的基極電流被切斷， IGBT 即為關(guān)斷。 當(dāng) VDS 為負(fù)時， J3 結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，類似于反偏二極管，器件呈反向阻斷狀態(tài)。 當(dāng) VDS 為正時，有兩種可能： （ 1） 若門極電壓小于開啟電壓，即 VG＜ VT， 則溝道不能形成，器件呈反向阻斷狀態(tài)； （ 2） 若門極電壓大于開啟電壓，即 VG＞ VT， 絕緣門極下面的溝道形成， 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 J3 結(jié)是正向偏置，也向 N﹣區(qū)注入空穴，從而在 N﹣區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)ā? 8 在器件導(dǎo)通之后，若將門極電壓突然減至零，則溝道消失，通過溝道的 電子電流為零，使漏極電流有所突減，但由于 N﹣區(qū)注入了大量的電子、空穴對，因而使漏極電流不 會馬上為零，因而出現(xiàn)一個拖尾時間。 除上述 IGBT 的正常工作情況外，從結(jié)構(gòu)圖中可以看出，由于 IGBT 結(jié)構(gòu)中寄生著PNPN 四層結(jié)構(gòu)，存在著由于再生作用而將導(dǎo)通狀態(tài)鎖定起來的可能性，從而導(dǎo)致漏極電流失控，進(jìn)而引起器件產(chǎn)生破壞性失效。出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象的條件就是晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通條件 a1＋ a2﹦ 1。 IGBT 的鎖定現(xiàn)象又分為靜態(tài)鎖定、動態(tài)鎖定和柵分布鎖定。靜態(tài)鎖定就是 IGBT 在穩(wěn)態(tài)電流導(dǎo)通時出現(xiàn)的鎖定，此時漏極電壓低，鎖定發(fā)生在穩(wěn)態(tài)電 流密度超過某一數(shù)值的時候。動態(tài)鎖定發(fā)生在 開關(guān)過程中，在大電流、高電壓的情況下，主要是因?yàn)樵陔娏鬏^大時引起 a1 和 a2 的增加，以及由于過大的 dv／ dt引起的位移電流造成的。柵分布鎖定是由于絕緣柵的電容效應(yīng)，造成在開關(guān)過程中個別先開通或后關(guān)斷的IGBT 之中的電流密度過大而形成局部鎖定。應(yīng)當(dāng)采取各種工藝措施提高 IGBT 的鎖定電流，克服由于鎖定而產(chǎn)生失效。 基本特性 1） 靜態(tài)特性 IGBT 是靜態(tài)特性包括伏安特性、飽和電壓特性、轉(zhuǎn)移特性和靜態(tài)開關(guān)特性。 伏安特性表示器件的端電壓與電流的關(guān)系。 NIGBT 的伏安特性如圖 23 所示 圖 23 IGBT 伏安特性 9 由圖可知， IGBT 的伏安特性與 GTR 基本相似，不同之處是，控制參數(shù)是由門極電壓 GSV ，而不是基極電流。伏安特性分飽和區(qū)（ Ⅰ ）、放大區(qū)（ Ⅱ ）和擊穿區(qū)（ Ⅲ ）。輸出電流由門源電壓控制，門源電壓 GSV 越大，輸出電流 DI 越大。 IGBT 的飽和電壓特性如圖 24 所示，由圖可知， IGBT 的電流密度較大，通態(tài)電壓的溫度系數(shù)在小電流的范圍 內(nèi)為負(fù)，大電流的范圍為正，其值大約為 倍 /100℃ 。 圖 24 IGBT 飽和特性 轉(zhuǎn)移特性曲線如圖 25 所示（以 BSM150GB170DC 為例 ），與功率 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同。在大部分漏極電流范圍內(nèi)， DI 與 GSV 呈線形關(guān)系；只有當(dāng)門源電壓接近開啟電壓 TV 時才呈非線形關(guān)系，此時漏極電流已相當(dāng)小。當(dāng)門源電壓 GSV 小于開啟電 壓 TV 時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。如在門源間的最高電壓由流過漏極的最大電流所限定。一般門源電壓的最佳值可取 15V左右。 同時，在關(guān)斷的時候，一般提供一個反壓，防止 IGBT 誤導(dǎo)通，反壓一般設(shè)為﹣ 2~﹣ 10V。 IGBT 的靜態(tài)開關(guān)特性如圖 26 所示。當(dāng)門源電壓大于開啟電壓時，且集電極和發(fā)射機(jī)有一定的壓降時， IGBT 即開通。 與功率 MOSFET 相比， IGBT 通態(tài)壓降要小的多， 1000V 的 IGBT 在 25176。C，集極電壓為 25A 時，約有 2~5V 的通態(tài)壓降。同時， MOSFET 本來就 不適合高頻和高壓電路，而 IGBT 卻可以 工作高壓高頻電路，而且 IGBT 在高電流和短路狀態(tài)都 不容 意燒壞， 使電路更加安全。 10 圖 25 轉(zhuǎn)移特性 圖 26 開關(guān)特性 因?yàn)?IGBT 的構(gòu)成基礎(chǔ)是功率 MOSFET，通過門源電壓可控制 IGBT 的狀態(tài)，當(dāng) GSV﹤ TV 時， IGBT 處于阻斷狀態(tài)，只有很小的漏電流存在 ,外加電壓由 J2 結(jié)承擔(dān)，這種阻斷狀態(tài)與功率 MOSFET 基本一致?？梢?，對稱型 IGBT 具有正﹑反向阻斷電壓的能力，而非對稱型 IGBT 幾乎沒有反向阻斷的能力。圖 27 為 EUPEC BSM150GB170DC 的輸出特性。 圖 27 IGBT 輸出特性 11 2） 動態(tài)特性 圖 28 開通時 IGBT 的電流、電壓波形 IGBT 的 動態(tài)特性包括開通過程和關(guān)斷過程兩個方面 IGBT 開通時的瞬態(tài)過程如圖 28 所示。 IGBT 在降壓變換電路中運(yùn)行時，其電流﹑電壓波形與功率 MOSFET 開通時的波形相似。圖中 Td(on)為開通延遲時間， Tri 為電流上升時間， GSV ﹢ 為門源電壓。漏源電壓的下降時間分為 tfv1 和 tfv2 兩段。在 GSV 的波形圖中，從 Td(on)開始到 Tri 結(jié)束階段，門源電壓指數(shù)規(guī)律增加。 ()GStV 曲線在從 Tri 末尾至 tfv2 結(jié)束這段時間內(nèi)，由于門源間流過驅(qū)動電流，門源之間呈現(xiàn)二極管正向特性，所以 GSV 維持不變。當(dāng) IGBT 完全導(dǎo)通后，驅(qū)動結(jié)束， VGS(t)重又按指數(shù)規(guī)律最終達(dá)到 GSV ﹢VDS(on) Vd tri id td(on) VT VGG﹢ t t t VGS（ t） iD(t) VDS(t) tfv1 tfv2 12 值。 在降壓變換電路中運(yùn)行時， IGBT 的關(guān)斷電流電壓波形如圖 29 所示。 圖 29 關(guān)斷時 IGBT 波形圖 在實(shí)際應(yīng)用中，用漏極電流的動態(tài)波形來確定 IGBT 的開關(guān)時間。漏極電流的開通時間和上升時間分別用 Ton 和 Tr 表示。開通時間包括電流延遲時間和上升時間兩部分，如圖 28 中 Td(on)和 Tri 所示。漏極電流的關(guān)斷時間和下降時間分別用 Toff 和 Tf表示。關(guān)斷時間由存儲時間和下降時間所組成，如圖 29 所示，存儲時間又包括 Td(off)和 Trv兩部分，下降時間則由 tfi1 和 tfi2 組成。 且其開關(guān)損耗如下圖， t tfi1 tfi2 trv Td(on) VGG﹣ VT GTR 電流 t VGS(t) iD(t) VDS(t) Vd t MODFET 電流 13 圖 210 IGBT 的開關(guān)損耗 由上圖知， IGBT的開通損耗受續(xù)流二極管反向恢復(fù)特性的支配，圖 210 示出了 IGBT開通損耗與電流、門極電阻的關(guān)系。（ 以 BSM150GB170DC 為例 ） 3） 安 全工作區(qū) 開通和關(guān)斷時， IGBT 均具有較寬的安全工作區(qū)。 IGBT 開通時為正向偏置，其安全工作區(qū)稱為正向偏置安全工作區(qū)，簡稱 FBSOA，如圖 211A 所示。 FBSOA 與 IGBT 的導(dǎo)通時間密切相關(guān)，道統(tǒng)時間很短時， FBSOA 為DC 100μ s 10μ s 重加 dvds/dt 3000V/μ 2020V/μ 1000V/μ VDS 0 ID VDSM VDS 0 IDM ID a) b) 圖 211 IGBT 的安全工作區(qū) a) FBSOA b) RBSOA 14 矩形方塊，隨著導(dǎo)通時間的增加，安全工作區(qū)逐步減小。直流工作時安全工作區(qū)最小。這是因?yàn)閷?dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，因而安全工作區(qū)越小。 IGBT 關(guān)斷時間為反向偏置，其安全工作區(qū)稱為反向安全工作區(qū)，簡稱 RBSOA，如圖 211A 所示。 RBSOA 與 FBSOA 稍有不同， RBSOA 隨著 IGBT 關(guān)斷時的重加 d DSV /dt而改變。電壓上升率 d DSV /dt 越大，安全工作區(qū)越小。 最大漏極電流 DMI 使根據(jù)避免動態(tài)擎住而確定的，與此相應(yīng)還確定了最大的門源電壓 GSMV 。只要不超過 GSMV ，外電路發(fā)生故障時， IGBT 將從飽和狀態(tài)進(jìn)入放大狀態(tài)。最大允許漏源電壓 GSMV 是由 IGBT 中 PNP 晶體管的擊穿電壓確定的。 門極驅(qū)動 柵極驅(qū)動條件 IGBT 的門極驅(qū)動條件密切地關(guān)系到它的靜態(tài)和動態(tài)特性。門極電路的正偏壓 GSfV 、負(fù)偏壓 GSrV 和門極電阻 Rg 的大小，對 IGBT 的通態(tài)電壓、開關(guān)時間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及 dV/dt 電流等參數(shù)有不同程度的影響。門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系如表212 所示。門極正電壓 VGS 的變化對 IGBT 開通特性，負(fù)載短路 能力和 dVDS/dt 電流有較大的影響，而門極負(fù)偏壓則對關(guān)斷特性的影響較大。在門極驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)中，必須注意開通特性，負(fù)載短路能力和由 dVD/dt 電流引起的誤觸發(fā)等問題。如表 212 列出了門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系。 表 21 門極驅(qū)動條件與起特性的關(guān)系 特 性 Vds（ on） ONT 、 ONE OFFT 、 OFFE 負(fù)載短路能力 電流 d DSV /dt ﹢ VGS 增大 降低 降低 — 降低 增加 ﹣ VGS 增大 — — 略減小 — 減少 RG 增大 — 增加 增加 — 減少 根據(jù)表 212，對 IGBT 的驅(qū)動電路提出下列要求和條件： （ 1） 由于是容性輸入阻抗，因此 IGBT 對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須很可 15 靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。 （ 2） 用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電，以保證門極控制電壓 VGS 有足夠陡峭的前后沿，使 IGBT 的開關(guān)損耗盡量 小。另外， IGBT 開通后，門極驅(qū)動電源應(yīng)提供足夠功率使 IGBT 不致退飽和而損壞。 （ 3） 門極電路中的正偏壓應(yīng)為﹢ 12V~﹢ 15V；負(fù)偏壓應(yīng)為﹣ 2V~﹣ 10V。 （ 4） IGBT 多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。 （ 5） 門極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，具有對 IG