电力电子半导体器件IGBT介绍

第七章绝缘栅双极晶体管（IGBT)§7.1原理与特性一、概述IGBT——InsulatedGateBipolarTransistor近年来出现了许多新型复合器件，它们将前述单极型和双极性器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快．应用很广，已成为当前电力半导体器件发展的重要方向。其中尤以绝缘栅双极晶体管(1GBT)最为突出，在各个领域中有取代前述全控型器件的趋势。IGBT（IGT），1982年研制，第一代于1985年生产，主要特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间0.5us，耐压500—600V，电流25A。第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容量为400A/500—1400V，工作频率达20KHZ。目前第三代正在发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A，4500V；命名为IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)二、工作原理：IGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的，两者结构十分类似，不同之处是IGBT多一个P+层发射极，可形成PN结J1，并由此引出漏极；门极和源极与MOSFET相类似。1．分类：按缓冲区有无分为：①非对称型IGBT：有缓冲区N+，穿通型IGBT；由于N+区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间短，关断时尾部电流小。②对称型IGBT：无缓冲区N+，非穿通型IGBT；具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型IGBT差。按沟道类型：①N沟道IGBT②P沟道IGBT2．开通和关断原理：IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时，MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。在门极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。①VDS为负时：J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。②VDS为正时：VGVT，沟道不能形成，器件呈正向阻断状态。VGVT，绝缘门极下形成N沟道，由于载流子的相互作用，在N-区产生电导调制，使器件正向导通。③关断时拖尾时间：在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所突降，但由于N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。④锁定现象：由于IGBT结构中寄生着PNPN四层结构，存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通条件：α1+α2=1a.静态锁定：IGBT在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定发生在稳态电流密度超过某一数值时。b.动态锁定：动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下、主要是因为在电流较大时引起α1和α2的增加，以及由过大的dv/dt引起的位移电流造成的。c.栅分布锁定：是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或后关断的IGBT之中的电流密度过大而形成局部锁定。——采取各种工艺措施，可以提高锁定电流，克服由于锁定产生的失效。三、基本特性：（一）静态特性1．伏安特性：几十伏，无反向阻断能力饱和区放大区击穿区2．饱和电压特性：IGBT的电流密度较大，通态电压的温度系数在小电流范围内为负。大电流范围为正，其值大约为1.4倍／100℃。3．转移特性：与功率MOSFET的转移特性相同。当门源电压VGS小于开启电压VT时，IGBT处于关断状态，加在门源间的最高电压由流过漏极的最大电流所限定。一般门源电压最佳值15V。4．开关特性：与功率MOSFET相比，IGBT通态压降要小得多，1000V的IGBT约有2~5Ｖ的通态压降。这是因为IGBT中N－漂移区存在电导调制效应的缘故。（二）动态特性1．开通过程：td(on)：开通延迟时间tri：电流上升时间tfv1，tfv2：漏源电压下降时间tfv1：MOSFET单独工作时的电压下降时间。tfv2：MOSFET和PNP管同时工作时的电压下降时间。随漏源电压下降而延长；受PNP管饱和过程影响。平台：由于门源间流过驱动电流，门源间呈二极管正向特性，VGS维持不变。2．关断过程：td(off)：延迟时间trv：VDS上升时间tfi2：由PNP晶体管中存储电荷决定，此时MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，体内存储电荷很难迅速消除，因此下降时间较长，VDS较大，功耗较大。一般无缓冲区的，下降时间短。由MOSFET决定3．开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。①漏极电流的开通时间和上升时间：开通时间：ton=td(on)+tri上升时间：tr=tfv1+tfv2②漏极电流的关断时间和下降时间：关断时间：toff=td(off)+trv下降时间：tf=tfi1+tfi2③反向恢复时间：trr4．开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：5．开关损耗与温度和漏极电流关系（三）擎住效应IGBT的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在，它由PNP利NPN两个晶体管组成。在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上，P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到—定程度时，这个正偏量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应称为静态擎住现象。IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因此，制造厂家所规定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定，此外还受漏极电流IDM以及结温Tj等因素的影响。在使用中为了避免IGBT发生擎住现象:1．设计电路时应保证IGBT中的电流不超过IDM值；2．用加大门极电阻RG的办法延长IGBT的关断时间，减小重加dVDS/dt。3．器件制造厂家也在IGBT的工艺与结构上想方设法尽可能提高IDM值，尽量避免产生擎住效应。（四）安全工作区1．FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。随导通时间的增加，损耗增大，发热严重，安全区逐步减小。2．RBSOA：IGBT关断时反向偏置安全工作区。随IGBT关断时的重加dVDS/dt改变，电压上升率dVDS/dt越大，安全工作区越小。通过选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设计可控制重加dVDS/dt，扩大RBSOA。最大漏极电流最大漏源电压VDSM（五）具体参数和特性§7.2门极驱动一、驱动条件：门极驱动电路的正偏压VGS，负偏压－VGS，门极电阻RG的大小，决定IGBT的静态和动态特性，如：通态电压、开关时间、开关损耗、短路能力、电流di/dt及dv/dt。1．正偏电压VGS的影响VGS增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，但VGS增加到一定程度后，对IGBT的短路能力及电流di/dt不利，一般VGS不超过15V。（12V~15V）2．负偏压－VGS的影响：门极负偏压可以减小漏极浪涌电流，避免发生锁定效应，但对关断特性影响不大。如图：3．门极电阻RG的影响：当门极电阻RG增加时，IGBT的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能耗和关断能损也增加。但RG减小时，IGBT的电流上升率di/dt增大，会引起IGBT的误导通，同时RG电阻的损耗也增加。一般，在开关损耗不太大的情况下，选较大的电阻RG。4．IGBT驱动电路设计要求：(1)由于是容性输入阻抗，因此IGBT对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电．以保证门极控制电压VGS有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外IGBT开通后，门极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为+12~+15V；负偏压应为－2~－10V。(4)IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。(5)门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，并有较强的抗于扰能力。(6)若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，保证IGBT的安全。二、驱动电路：在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBT的输入特性与MOSFET几乎相同，因此与MOSFET的驱动电路几乎一样。注意：1．IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。2．信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号传输时间短的快速光耦。3．门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。4．为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。三、常用PWM控制芯片：TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060，VC1840，SL-64等。四、IGBT专用驱动模块：大多数IGBT生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系列、日本东芝的TK系列，美国库托罗拉的MPD系列等。这些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。富士的EXB841快速驱动电路由放大电路，过流保护电路，5V基准电压源电路组成。具有过流缓关断功能。§7.3IGBT的保护一、常用的保护措施：(1)通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护(2)利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的dv/dt。(3)利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳问，实现过热保护。二、过电流保护措施及注意问题：1．IGBT短路时间：2．过电流的识别：采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大小。进而切断门极控制信号。注意：识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流时间（几个us），同时判断短路的真与假，常用方法是利用降低门极电压使IGBT承受短路能力增加，保护电路动作时间延长来处理。3．保护时缓关断：由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度快。如果按正常时的关断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿，极易损坏IGBT和设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采取措施使IGBT进行“慢速关断”。采用电流互感器和霍尔元件进行过流检测及过流保护：三、缓冲电路利用缓冲电路抑制过电压，减小dv/dt。50A200A200A缓冲电路参数估算：缓冲电容：220)(dCEPSEVLICL——主回路杂散电感（与配线长度有关）I0——关断时漏极电流VCEP——缓冲电容上电压稳态值（有安全区确定）Ed——直流电源电压缓冲电阻：在关断信号到来前，将缓冲电容上电荷放净fCRSS321f：开关频率缓冲电阻功率：220fILPSSLS：缓冲电路电感§7.4应用实例一、静音式变频调速系统二、工业加热电源：三、逆变弧焊电源：四、不间断电源：UPS五、有源功率滤波器：第八章新型电力半导体器件一、新型电力电子器件IGCT集成门极换流晶闸管IGCT（IntegratedGateCommutatedThyristor）是1996年问世的一种新型半导体开关器件。该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5M～3MV