【正文】 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。漏極電流的關(guān)斷時(shí)間和下降時(shí)間分別用 Toff 和 Tf表示。漏極電流的開通時(shí)間和上升時(shí)間分別用 Ton 和 Tr 表示。 在降壓變換電路中運(yùn)行時(shí)， IGBT 的關(guān)斷電流電壓波形如圖 29 所示。 ()GStV 曲線在從 Tri 末尾至 tfv2 結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)，由于門源間流過驅(qū)動(dòng)電流，門源之間呈現(xiàn)二極管正向特性，所以 GSV 維持不變。漏源電壓的下降時(shí)間分為 tfv1 和 tfv2 兩段。 IGBT 在降壓變換電路中運(yùn)行時(shí)，其電流﹑電壓波形與功率 MOSFET 開通時(shí)的波形相似。圖 27 為 EUPEC BSM150GB170DC 的輸出特性。 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(shí)， 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。C，集極電壓為 25A 時(shí)，約有 2~5V 的通態(tài)壓降。當(dāng)門源電壓大于開啟電壓時(shí)，且集電極和發(fā)射機(jī)有一定的壓降時(shí)， IGBT 即開通。 同時(shí)，在關(guān)斷的時(shí)候，一般提供一個(gè)反壓，防止 IGBT 誤導(dǎo)通，反壓一般設(shè)為﹣ 2~﹣ 10V。如在門源間的最高電壓由流過漏極的最大電流所限定。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(shí)才呈非線形關(guān)系，此時(shí)漏極電流已相當(dāng)小。 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℃ 。伏安特性分飽和區(qū)（ Ⅰ ）、放大區(qū)（ Ⅱ ）和擊穿區(qū)（ Ⅲ ）。 伏安特性表示器件的端電壓與電流的關(guān)系。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。動(dòng)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(shí)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。 IGBT 的鎖定現(xiàn)象又分為靜態(tài)鎖定、動(dòng)態(tài)鎖定和柵分布鎖定。 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。 當(dāng) VDS 為正時(shí)，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(shí) 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)?。在門極上施以負(fù)電壓時(shí)，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。 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。 IGBT 是以GTR為主導(dǎo)元件， MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)淋頓結(jié)構(gòu)。對于 P 溝道 IGBT，其圖形符號中的箭頭方向恰好相反。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。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。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(gè) 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。 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。 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(dòng)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。 研究方法 本項(xiàng)目將研制出適用于各類 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路及其典型的應(yīng)用電路 。根據(jù)上述分析， IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)包含以下幾個(gè)部分： ① 脈沖整型和功率放大電路； ② 定時(shí)復(fù)位電路； ③ 電流檢測電路； ④ 過流或短路保護(hù)電路； ⑤ 柵壓控制電路。若 IGBT 的短路故障消失則電路就可以恢復(fù)正常工作；若 IGBT 的故障末消失，則驅(qū)動(dòng)電路輸出相對較低頻率（與正常工作頻率之比）的脈沖信號。若延時(shí)后故障信號依然存在，則關(guān)斷器件；若故障信號消失，驅(qū)動(dòng)電路可自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)，因而大大增強(qiáng)了抗騷擾能力。降柵壓旨在檢測到器件過流時(shí)，馬上降低柵壓，但器件仍維持導(dǎo)通。 ④ 具有軟關(guān)斷功能 在過流或短路關(guān)斷 IGBT 時(shí)，由于 IGBT 中電流幅度大，若快速關(guān)斷時(shí)，必將產(chǎn)生過高的 Ldi/dt，在 IGBT 兩端產(chǎn)生很高的尖峰電壓，極易損壞 IGBT，因此，要求驅(qū)動(dòng)電路具有 “軟慢關(guān)斷 ”功能。通常通過檢測其管壓降 VCE 的大小，判斷過流或短路是否發(fā)生。判斷 IGBT 是否過流的方法之一，就是檢測其管壓降 VCE 的大小。但電壓幅度不能過高，否則，會(huì)使柵射極的氧化層擊穿，從而損壞 IGBT。 (4) 當(dāng) IGBT 關(guān)斷時(shí)，電路寄生參數(shù)的干擾 引起器件誤導(dǎo)通。 2） IGBT 對驅(qū)動(dòng)電路的要求分析 根據(jù)以上對 IGBT 電學(xué)特性的分析，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)： 4 (1) 柵極正向驅(qū)動(dòng)電壓的正確選擇 (2) IGBT 快速開通和關(guān)斷有利于提高工作頻率，減小開關(guān)損耗。 研究思路、內(nèi)容及方法 研究內(nèi)容 1） IGBT 的電學(xué)特性研究 對 IGBT 的電學(xué)特性進(jìn)行深入研究是設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)電路 的基礎(chǔ)，因此，本項(xiàng)目將首先建立描述 IGBT 電學(xué)特性的數(shù)學(xué)模型，對其電特性進(jìn)行深入分析。 因此，致力于 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路及其應(yīng)用電路的研究，研制出具有 高性能 的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，并帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，必將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 選題目的和意義 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路作為與功率器件的直接關(guān)聯(lián)部分，其性能 直接影響 IGBT 的功耗、安全性與可靠性等特性，在功率變換器內(nèi)發(fā)揮相當(dāng)重要的作用。 智能 MOS 柵 IGBT 模塊化采用了 高頻性能的改進(jìn)，可將驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和故障診斷電路集成在一起，制成智能功率模塊，通過采用大規(guī)模集成電路的精細(xì)制作工藝并對器件的少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制，產(chǎn)生了新一代功率 IGBT。 10 年前， IGBT 出現(xiàn)在世界技術(shù)舞臺(tái)的時(shí)候，盡管它凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術(shù)和大規(guī)模集成電路微細(xì)加工手段二者的精華，表現(xiàn)出很好的綜合性能，許多人仍難以相信這種器件在大功率領(lǐng)域中的生命力。它的并聯(lián)不成問題，由于本身的關(guān)斷延遲很短，其串聯(lián)也容易。 目前，應(yīng)用在中壓大功率領(lǐng)域的電力電子器件，已形成 GTO、 IGCT、 OGBT、 IEGT相互競爭不斷創(chuàng)新的技術(shù)市場，在大功率（ 1MW），低頻率（ 1kHz）的傳動(dòng)領(lǐng)域，如電力牽引機(jī)車領(lǐng)域 GTO、 IGCT 有著獨(dú)特的優(yōu)勢，而在高載 波頻率、高斬波頻率下 ,IGBT、IEGT 有著廣闊的發(fā)展前景，在現(xiàn)階段中壓大功率變頻領(lǐng)域?qū)⒂蛇@ 4 種電力電子器件構(gòu)成其主流器件。近幾年來，功率 IGBT 的性能提高很快，額定電流已達(dá)數(shù)百安培，耐壓達(dá) 1500V 以上，而且還在不斷提高。要提高功率 MOSFET 的耐壓能力，勢必增加高導(dǎo)通電阻，從而妨礙器件在高電壓、大電流范圍的應(yīng)用。 IGBT 的發(fā)展歷程 電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管（ SCR） 、可關(guān)斷晶閘管（ GTO）、晶體管（ BJT）、絕緣柵晶體管（ IGBT）等階段。 GTO 將繼續(xù)在超高壓、大功率領(lǐng)域發(fā)揮作用；功率 MOSFET 在高頻、低壓、小功率領(lǐng)域具有竟?fàn)巸?yōu)勢； 2 超高壓（ 8000V以上）、大電流普通晶閘管在高壓直流輸電和靜止無功功率補(bǔ)償裝置中的作用將會(huì)得到延續(xù)，而低壓普通晶閘管和 GTR 則將逐步被功率 MOSFET（ 600V 以下）和 IGBT（ 600V以上）所代替； MCT 最具發(fā)展前途。從結(jié)構(gòu)看，器件將復(fù)合型、模塊化；從性能看，發(fā)展方向?qū)⑹翘岣呷萘亢凸ぷ黝l率、降低通態(tài)壓降、 減小 驅(qū)動(dòng) 功耗 、改善動(dòng)態(tài)參數(shù)和多功能化； 從應(yīng)用看，MPS 電力整流管、 MOSFET、 IGBT、 MCT 是最有發(fā)展前景的器件。 電力電子器件的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各個(gè)方面，實(shí)際的需要必將極大地推動(dòng)器件的不斷創(chuàng)新。在實(shí)際需要的推動(dòng)下，隨著理論研究和工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類型等方面得到了很大發(fā)展，先后出現(xiàn)了 GTR、 GTO、功率 MOSET 等自關(guān)斷、全控型器件，被稱為第二代電力電子器件。由于它們具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，其研制及應(yīng)用得到了飛速發(fā)展。 到了 70 年代，晶閘管開始形成由低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。 關(guān)鍵字 : IGBT，驅(qū)動(dòng)電路， HCPL316j，柵極驅(qū)動(dòng)，保護(hù)電路 Subject: the design of IGBT driving circuit Specialty: Microelectronics Name: Xue Shaoxiong (Signature)＿＿＿＿ Instructor: Wei Li (Signature)＿＿＿＿ Abstract IGBT bines the advantages of unipolar and bipolar device to a more effective device, and has more superior characteristics with higher input impedance, faster speed, lower on voltage,higher off voltage and lager current withstand .So it is fastly developed and widely driver circuit performance of it directly affects the IGBT power, security and reliability in power converters, and plays an important role in power inverter. This paper introduces the development and characteristics of IGBT firstly, and the the function of protecting function, and the grid input of IGBT driving circuit is introduced secondly. Then the design process is introduced in detail, including its principle of circuit and simulation, etc. Finally, summarizes the Picasso in design and welding problems and solutions. The project reaches IGBT drive function and has various protection function. KEY WORDS ： IGBT , Driving circuit,HCPL316j， Gate drive, Protection circuit 目 錄 第 1 章 概 述 .......................................................................................................................... 1 功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展 ................................................................................................. 1 電力電子器件的發(fā)展 .....................................