IGBT-ppt课件

1《现代电力电子器件》第四章绝缘栅极晶体管IGBT23本章内容IGBT的结构、原理、特性、参数IGBT的驱动条件、分立驱动电路IGBT的集成驱动电路IGBT的过电流、过电压保护44．l．原理与特性4.1.1.概述GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单；绝缘栅双极晶体管——（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT），两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件。GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性5IGBT优点：6发展简史：★1983年，美国GE公司和RCA公司研制成功。★第一代IGBT，1986年投入市场，特点：低损耗，通态压降高(3V)，下降时间0.5us，耐压500-600V，电流25A。容量小，有擎住现象，速度低。★第二代IGBT，1989投产，高速开关型和低压降型(2V左右)，速度、容量均提高(400A/500-1400V、20KHz），抑制擎住现像。★第三代IGBT，1995左右投产，引入细微化工艺改善综合特性，在第二代基础上性能进一步提高。★第四代IGBT，采用沟槽技术以降低饱和压降；★智能化集成IGBT——IPM，内置IGBT、驱动电路、过流过热过压保护，PWM电路等。★取代了中功率GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。★继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位7IGBT分类：1、按电压等级划分300，600，900，1200，1700，3300，6500V，等2、按芯片技术划分工艺穿通击穿电压器件成本饱和压降工作频率安全工作区穿通型PT异质外延＋扩散低于雪崩击穿电压高较低较低，20KHZ以下较窄，高温稳定性差非穿通型NPT同质扩散＋离子注入高于雪崩击穿电压较低稍高较高较宽，高温稳定性好场终止型FS-NPT(LPT,SPT类似）与NPT类似，增加扩散一N+缓冲层（其浓度低于PT中的缓冲层）低于雪崩击穿电压较低较低，2V以下较高较宽，高温稳定性好8IGBT几种常见类型：穿通型非穿通型场终止型9103、按栅结构划分平面栅（planar）优点：承受短路能力较高；栅极电容较小（约为沟槽栅器件的三分之一）；沟槽栅（Trench）优点：单元面积较小，电流密度较大，通态损耗降低约30％；击穿电压更高；114、按封装划分：（1）单管分立器件：TO-220,TO-247,TO-MAX等；TO-3PTO-3PFM12（2）模块：13(3)功率集成IPM（IntelligentPowerModule）14IGBT的生产厂家：IGBT模块，主要有以下几个厂家：欧美的有：IR，EUPEC，DYNEX，ABB，SEMIKRON，APT等。日本的有：富士，三菱，东芝，日立，INTER等。IGBT芯片，主要有以下几个公司：Infineon，ABB，APT，富士，三菱等。IGBT模块的特性主要是由IGBT芯片决定的。15中国首件自主高压大功率IGBT芯片通过鉴定•2013年9月12日，中国北车集团在陕西西安对外发布了高压大功率IGBT芯片及模块，并通过了专家鉴定。中国自此有了完全自主的IGBT“中国芯”。16IGBT为“绝缘栅双极型晶体管”缩写，作为新一代功率半导体器件，IGBT具有驱动容易、控制简单、开关频率高、导通电压低、通态电流大、损耗小等优点，是自动控制和功率变换的关键核心部件，被广泛应用在轨道交通装备行业、电力系统、工业变频、风电、太阳能、电动汽车和家电产业中，如在轨道交通领域，牵引传动系统是动车组、机车等装备的核心部件，而IGBT又是牵引传动系统的核心部件，是“核心中的核心”。IGBT因其与生俱来的节能性在中国倡导节能减排和大力发展新能源的时代备受推崇。目前中国已经成为IGBT的最大消费国，年需求量超过75亿元，而且每年以30%以上的速度增长。有关资料预测，到2020年，轨道交通电力牵引每年IGBT模块的市场规模不低于10亿元，智能电网不低于4亿元。17由中国北车所属上海北车永电电子科技有限公司（上海北车永电公司）设计开发的3300V/50AIGBT芯片是国内首件自主设计制造的高压IGBT芯片，迈开了中国自主IGBT功率“芯脏”替代进口的步伐。由中国北车所属西安永电公司运用该3300V/50AIGBT芯片封装的1200A/3300VIGBT模块，这是第一个在国内设计生产、拥有完全自主知识产权的高压大功率电力电子器件。中国北车在高压高端IGBT领域形成了芯片设计、芯片制造、模块封装等完整的产业链，处于行业领先地位。此前国内IGBT芯片设计主要集中在民用级的1200VIGBT上，工业级和牵引级的高压大功率IGBT，国内尚无产品出现。中国北车3300VIGBT芯片自主设计的成功，填补了国内自主设计高压大功率IGBT的空白，形成具有完全自主知识产权的高压IGBT产品，逐步实现“进口替代”。1819●IGBT的封装形式：模块化封装，根据封装型式分为四类，如插图1所示：(1)单独的IGBT，容量达15~400A，400~1200V；(2)单相半桥IGBT，容量达15~75A，500~1000V；(3)单相全桥IGBT，容量达18~32A，400~500V；(4)三相全桥IGBT，容量达15~100A，400~1200V插图1部分IGBT模块内部结构图(a)~(e)为一单元封装模快;(f)、(g)为两单元封装模快;(h)四单元封装模快;(i)六单元封装模块;(j)带单相整流桥的六单元封装模块;(k)带温度传感器、直流侧电流传感器及独立三相整流桥的六单元封装模块20214.1.2.IGBT的结构和工作原理1．IGBT的结构三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)22●图7-1a：N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT（N-IGBT）。●IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。●J1结——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，对漂移区进行电导调制，使得IGBT具有很强的通流能力。●三个PN结：J1、J2、J3四个层：N+—P—N-N+—P+三端：集电极C、发射极E、栅极G（漏极D、源极S、栅极G）232．IGBT的等效电路●C、E之间的四层结构N+—P—N-N+—P+为隐含的晶闸管结构，包含一个PNP三极管P—N-N+—P+，正常工作时开通；一个NPN三极管N+—P—N-N+，正常工作时不开通。等值电路如图7-2a所示。●由于正常时NPN不工作，可将其简化为如图7-2b所示的简化等效电路。简化电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。●Rdr为晶体管基区内（N-区）的扩展电阻。Rbr为P区电流横向流动时的横向电阻。●IGBT具有反向阻断能力，模块中常内置反并联二极管。24RdrRbrEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图IGBT的等效电路和电气图形符号a)等效电路b)简化等效电路c)电气图形符号ECEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)253．IGBT的工作原理●驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。●阻断：uCE0时，J1结反偏，不论uGE如何，器件不导通。uGE小于开启电压UT时，MOSFET内不能形成沟道，IGBT不导通。●导通：uGE大于开启电压UT时，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。●导通压降：电导调制效应使电阻Rdr减小，使通态压降减小（小于MOSFET）。●关断：栅-射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。但因N-区有大量空穴电荷，消失较慢，电流出现拖尾。264.1.3.IGBT的基本特性1、IGBT的静态特性IGBT的静态持性包括伏安特性、饱和电压特性、转移特性和静态开关特性。（1）IGBT的输出特性●四个区域：分饱和区(I)、放大区(II)、击穿区(III)、正向阻断区（Ⅳ）。●伏安特性与GTR基本相似，不同之处是，控制参数是栅-射电压UGE，而不是基极电流。●输出电流由栅-射电压控制，栅-射电压UGE越大，输出电流IC越大。●uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态，反向阻断电压由J1结承担。由于N+缓冲区存在，反向阻断电压只能达到几十伏。27ⅣICUCEBUCEICICUGEUCEIC28（2）IGBT的饱和电压特性●如图7-3b所示●IGBT的饱和压降一般为：2~4V●饱和压降的温度系数：在小电流范围内（1/3或1/2额定电流以下）为负；大电流范围（1/3或1/2额定电流以上）为正；其值大约为1.4倍/100℃。●与电力MOSFET类似，并联使用时具有自动均流能力，易于并联使用。29IGBT的饱和电压特性30（3）IGBT的转移特性●转移特性——IC与UGE间的关系。如图所示。与电力MOSFET的转移特性相同。★在大部分集电极电流范围内，IC与VGE呈线性关系；★当栅-射电压接近开启电压VT时，才呈非线性关系，此时集电极电流已相当小。★当栅射电压VGE小于开启电压VT时，IGBT处于关断状态。●开启电压VT——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。VT随温度升高而略有下降，在+25C时，VT的值一般为2~6V●最高栅射电压VGE由最大集电极电流所限定。一般栅射电压的最佳值可取15V左右。UGEIC31(4)IGBT的结电容特性•在IGBT芯片中，不同电极之间都有寄生电容存在，如图4-24所示。其中，Cies是指栅极与发射极之间的输入电容；Coes是指集电极与发射极之间的输出电容；Cres是指集电极与栅极之间的反向传输电容。•由图可以看出，随着驱动电阻的增加，IGBT的寄生电容有减小的趋势。322、IGBT的动态特性包括开通过程和关断过程两个方面。（1）IGBT的开通过程如图7-4所示。与MOSFET相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。VGG+为栅射电压。VGE(t)iC(t)VCE(t)VTtd(on)tritfv1tfv2VCE(on)icVGG++VccLRVDLCILRiciVDGCE开通延迟时间td(on)电流上升时间tri开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和，即ton=td(on)+tri集射电压的下降时间：分为tfv1和tfv2两段。tfv1段—为MOSFET单独工作时的电压下降时间；tfv2段—为MOSFET和PNP管同时工作时的电压下降时间。33（2）IGBT的关断过程关断延迟时间td(off)集射电压上升时间trv电流下降时间—iC从ICM下降至接近于零。分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢.关断时间toff：toff=td(off)+trv+tfi1+tfi2●IGBT中PNP的存在，带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。VGE(t)iC(t)VCE(t)td(off)trvtfi1tfi2VCC34IGBT的关断过程354．1．4.IGBT的擎住效应1、寄生晶闸管——由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成2、擎住效应或自锁效应：●NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻