【正文】 型和雙極型器件的各自優(yōu)點集于一身，揚長避短，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，因而發(fā)展很快，應(yīng)用很廣。其驅(qū)動電路性能直接影響 IGBT 的功耗、安全性與可靠性等特性，在功率變換器內(nèi)發(fā)揮相當重要的作用。然后又把該次設(shè)計過程詳細的介紹，包括其原理圖，電路板和仿真等。 該次畢設(shè)達到了 IGBT 的驅(qū)動功能，且具備了各種保護功能。從 1958年美國通用電氣（ GE）公司研制出世界上第一個工業(yè)用普通晶閘管開始，電能的變換和控制從旋轉(zhuǎn)的變流機組和靜止的離子變流器進入由電力電子器件構(gòu)成的變流器時代，這標志著電力電子技術(shù)的誕生。同時，非對稱晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管等晶閘管派生器件相繼問世， 廣泛應(yīng)用于各種變流裝置。 由于普通晶閘 管不能自關(guān)斷，屬于半控型器件，因而被稱作第一代電力電子器件。近年來，電力電子器件正朝著復(fù)合化、模塊化及功率集成的方向發(fā)展，如 IGPT、 MCT、 HVIC 等就是這種發(fā)展的產(chǎn)物。 微電子學中的超大規(guī)模集成電路技術(shù)將在電力電子器件的制作中得到更廣泛的應(yīng)用； 具有高載流子遷移率、強的熱電傳導(dǎo)性以及寬帶隙的新型半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、碳化硅、人造金剛石等的運用將有助于開發(fā)新一代高結(jié)溫、高頻率、高動態(tài)參數(shù)的器件。今后研制工作的重點將是進一步改善 MPS 的軟反向恢復(fù)特性，提高 IGBT 和 MCT 的開關(guān)頻率和額定容量，研制智能 MOSFET 和 IGBT 模 塊，發(fā)展功率集成電路以及其它功率器件。可以預(yù)見，電力電子器件的發(fā)展將會日新月異，電力電子器件的未來將充滿生機。目前正向著大容量、高頻率、易驅(qū)動、低損耗、模塊化、復(fù)合化方向發(fā)展，與其他電力電子器件相比， IGBT 具有高可靠性、驅(qū)動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關(guān)頻率高等特點，為了達到這些高性能，采用了許多用于集成電路的工藝技術(shù)，如外延技術(shù)、離子注入、精細光刻等。針對這些缺陷， 20 世紀 80 年代誕生了功率 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）器件， 20 世紀 90 年代 初進入實用化。由于 IGBT 器件具有 PIN 二極管的正向特性， P 溝功率 IGBT 的特性不比 N 溝 IGBT 差多少，這非常有利于在應(yīng)用中采取互補結(jié)構(gòu)，從而擴大其在交流和數(shù)字控制技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。 IGBT 最大的優(yōu)點是無論在導(dǎo)通狀態(tài)還是短路狀態(tài)都可以承受電流沖擊。盡管 IGBT 模塊在大功率應(yīng)用中非常廣泛，但其有限的負載循環(huán)次數(shù)使其可靠性成了問題，其主要失效機理是陰極引線焊點開路和焊點較低的疲勞強度，另外 ,絕緣材料的缺陷也是一個問題?，F(xiàn)在，跨世紀的 IGBT顯示了巨大的進展， 3 形成了一個新的器件應(yīng)用平臺。 當前高壓 IGBT 的研制和應(yīng)用水平為： 600A～ 800A/，工作頻率為 18kHz～20kHZ，在工藝上，高 壓 IGBT 開發(fā)主要采取以下措施 :一是采用溝槽結(jié)構(gòu)，挖掉了位于柵極下方、夾在 P 型基區(qū)中間的結(jié)型場效應(yīng)晶體管的電阻，改善了減小通態(tài)壓降和提高頻率特性之間的矛盾；二是采用非穿通（ NPT）結(jié)構(gòu)取代穿通（ PT）結(jié)構(gòu)，因為 NPT 結(jié)構(gòu)的 IGBT 芯片具有正電阻溫度系數(shù)、易于并聯(lián)，這是 IGBT 大功率化的必由之路；三是高壓 IGBT 作為高頻器件，電磁兼容問題值得重視，采用電感封裝技術(shù)可確保系統(tǒng)長期可靠的運行，大容量高壓 IGBT 適合采用平板式封裝結(jié)構(gòu)。而 IGBT 對于技術(shù)要求較高，國內(nèi)企業(yè)還沒有從事 IGBT 及其驅(qū)動電路的生產(chǎn) 。該驅(qū)動電路研制成功后，可廣泛應(yīng)用于各類 IGBT 的驅(qū)動 。電學特性的研究主要包括： ① 柵極特性研究； ② 開關(guān)特性； ③ 導(dǎo)通特性； ④ 關(guān)斷特性； ⑤ IGBT 的寄生效應(yīng)及過流或短路特性。 (3) 選擇合適的柵極串聯(lián)電阻 RG 和柵射電容 CG 對 IGBT 的驅(qū)動相當重要。 3） IGBT 驅(qū)動電路的設(shè)計和仿真驗證 (1) 驅(qū)動電路所具備的功能 ① 能提供足夠大的驅(qū)動電流及足夠高的驅(qū)動電壓 為確保 IGBT 可靠開通，驅(qū)動電路必須能提供足夠大的驅(qū)動電流、足夠高的驅(qū)動電壓。 ② 具有電流檢測功能 驅(qū)動電路必須具備實時檢測電流功能，以判斷過流或短路是否發(fā)生。 ③ 具有過流或短路保護功能 在 IGBT 承受短路電流時， 如果能及時關(guān)斷它，則可以對 IGBT 進行有效保護。若 VCE 過高則發(fā)生短路，此時需立即采取措施，關(guān)斷 IGBT。 通常采取的保護措施為降柵壓方法。降柵壓后，設(shè)有固定延時，故障電流在這一延時 期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關(guān)斷時的 di/dt，對器件保護十分有利。 ⑤ 保護具有自恢復(fù)功能 當 IGBT 出現(xiàn)過流或短路等故障時，驅(qū)動電路的保護電路動作。 5 (2) 驅(qū)動電路的設(shè)計 在設(shè)計驅(qū)動電路時，必須考慮 IGBT 的電學特性及其對驅(qū)動電路的要求。 (3) 焊接成電路板進行仿真 根據(jù)電路原理圖焊接成電路板，在焊接的時候不斷調(diào)試，改進一定的參數(shù)，最后驗證相應(yīng)的功能。在研制過程中，采取實驗測試和調(diào)試的方法。 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)點集于一身，揚長避短，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，因而發(fā)展很快，應(yīng)用很廣 。 圖 21 為 IGBT 的結(jié)構(gòu)剖面圖。 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。因為構(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。 從結(jié)構(gòu)圖可以看出， IGBT 相當于一個由 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。圖中的電阻 drR 是厚基區(qū) GTR 基區(qū)內(nèi)的擴展電阻。圖示器件為 N溝道 IGBT， MOSFET為 N 溝道型， GTR 為 PNP 型。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。 當 VDS 為負時， 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)。 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。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。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。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。 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。 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。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。 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。當門源電壓 GSV 小于開啟電 壓 TV 時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。一般門源電壓的最佳值可取 15V左右。 IGBT 的靜態(tài)開關(guān)特性如圖 26 所示。 與功率 MOSFET 相比， IGBT 通態(tài)壓降要小的多， 1000V 的 IGBT 在 25176。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。可見，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 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。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。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。當 IGBT 完全導(dǎo)通后，驅(qū)動結(jié)束， VGS(t)重又按指數(shù)規(guī)律最終達到 GSV ﹢VDS(on) Vd tri id td(on) VT VGG﹢ t t t VGS（ t） iD(t) VDS(t) tfv1 tfv2 12 值。 圖 29 關(guān)斷時 IGBT 波形圖 在實際應(yīng)用中，用漏極電流的動態(tài)波形來確定 IGBT 的開關(guān)時間。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。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。（ 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)。 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。這是因為導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴重，因而安全工作區(qū)越小。 RBSOA 與 FBSOA 稍有不同， RBSOA 隨著 IGBT 關(guān)斷時的重加 d DSV /dt而改變。 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 。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。門極電路的正偏壓 GSfV 、負偏壓 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。門極正電壓 VGS 的變化對 IGBT 開通特性，負載短路 能力和 dVDS/dt 電流有較大的影響，而門極負偏壓則對關(guān)斷特性的影響較大。如表 212 列出了門極驅(qū)動條件與器件特性的關(guān)系。 （ 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。 （ 3） 門極電路中的正偏壓應(yīng)為﹢ 12V~﹢ 15V；負偏壓應(yīng)為﹣ 2V~﹣ 10V。 （ 5） 門極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，具有對 IGBT 的在自保護功能，并具有較大的抗干擾能力。 IGBT 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路一般有以下幾種形式。 分立元件驅(qū)動電路的設(shè)計和應(yīng)用主要受當時電子元器件技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝的制約，但隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展及貼片工藝的出現(xiàn)，這類分立元件插接式驅(qū)動電路因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成化程度低、 故障 率高已逐漸被淘汰 。由于驅(qū)動光電鍋臺器的型號很多，所以選用的余地也很大。以東芝 TLP 系列光電鍋臺器為例，驅(qū)動 IGBT模塊的光電 耦合 器主要采用的是 TLP250 和 TLP251 兩個型號。外圍再輔以驅(qū)動電源和限流電阻等就構(gòu)成了最簡單的驅(qū)動電路。而對于更大電流的模塊，在設(shè)計驅(qū)動電路時一般在光電鍋合器驅(qū)動電路后面再增加一級放大電路，以達到安全驅(qū)動 IGBT 模塊的目的。光電鍋臺器的輸出級需要隔離的輔助電源供電。它是利用厚膜技術(shù)在陶瓷基片上制作模式元件和連接導(dǎo)線，將驅(qū)動電路的各元件集成在一塊陶瓷基片上，使之成為一個整體部件?，F(xiàn)在的厚膜驅(qū)動電路集成了很多保 護電路和檢測電路。 此外，現(xiàn)在的一些歐美廠商在 IGBT 驅(qū)動電路設(shè)計上采用了高頻隔離變壓器 (如丹佛斯 VLT 系列變頻電源 )。在實際應(yīng)用中這種驅(qū)動電路的故障 率 很低，大功率模塊也極少出現(xiàn)問題。 耦合器以光為媒介傳輸電信號。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。輸入的電信號驅(qū)動 發(fā)光二極管 （ LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。 光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸