1、 畢 業 設 計 題 目： 2kVA高頻逆變電源設計 系： 電氣與信息工程系 專業：電氣工程及其自動化 班級： 學號： 學生姓名： 導師姓名： 完成日期： 年 月 日 湖南工程學院畢業設計（論文）任務書設計（論文）題目： 2kVA高頻逆變電源設計 姓名 系 電氣系 專業_電氣工程及其自動化 班級 學號 指導老師 職稱 教研室主任 一、 基本任務及要求： 主要設計內容如下： a 1、理解逆變電源的工作原理，確定系統主電路 ： 包括主電路結構的選擇，逆變功率器件的選擇 ，參數計算 2、確定系統驅動電路 3、設計系統的控制電路 （包括保護電路、觸發電路等） 4、提交畢業設計論文和圖紙 二、 進度安排

2、及完成時間1、2月20日至3月17日：查閱資料；寫開題報告;確定總體方案。 2、3月18日至3月30日：畢業實習、撰寫實習報告。 a3、3月31日至4月16日：確定系統主電路 a4月17日至4月27日：確定系統驅動電路 5、4月28日至6月7日：設計系統的控制電路 a6、6月8日至6月14日撰寫畢業設計論文。 a7、6月15日至6月17日：指導老師評閱、電子文檔上傳FTP。 a8、6月17日至6月20日：畢業設計答辯。 a誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業設計（論文）是在老師指導下進行的研究工作及取得的研究成果；2、據查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業設計（論文）中不包含

3、其他人已經公開發表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構的學位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業設計（論文）中的所有內容均真實、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日目 錄摘 要Abstract第1章 緒 論11.1逆變電源系統結構及控制技術的發展11.2本文的研究意義及主要研究內容2第2章 IGBT特性及應用要求42.1 IGBT的結構特性42.2 IGBT的工作原理和工作特性62.3 IGBT的擎住效應82.3.1擎住效應82.3.2安全工作區92.4 IGBT的驅動與保護技術102.5集成化IGBT專用驅動器EXB841132.6. 注意事項及EXB841典型應用電路15第3章

4、高頻逆變電源的主電路173.1系統的構成及工作原理173.1.1主電路的設計參數173.1.2系統構成圖和主電路圖173.1.3 工作原理183.2 系統主電路的參數設計183.2.1 斬波器的設計183.2.2 逆變電路的工作原理21第4章 高頻逆變電源的控制電路224.1總體設計框圖及原理224.1.1 總體設計框圖224.1.2 工作原理:224.2 驅動電路224.2.1 驅動電路圖及工作原理:224.2.2. 參數計算及選擇234.3逆變電路244.3.1 控制系統原理框圖及基本思想244.3.2 單相全橋逆變電路控制圖及參數計算244.4 斬波電路264.4.1 控制系統原理框圖及

5、基本思想264.4.2 斬波控制電路圖及參數選擇264.5 PI調節器的設計294.5.1 基本原理294.5.2參數選擇及計算30第5章 保護電路315.1、IGBT過壓的原因及抑制315.1.1 工作原理315.1.2 緩沖器回路的設計32 5.2 IGBT的過流保護325.2.1 IGBT過流保護的必要性325.2.2 造成短路的原因335.2.3設計短路保護電路的幾點要求34結束語36參考文獻37致謝382kVA高頻逆變電源設計摘要：本文在分析了IGBT(絕緣柵雙極晶體管)特性的基礎上，設計了一臺容量為2kVA、頻率為20kHz的高頻逆變電源。給出了直流斬波電路及全橋逆變電路的工作原理

6、，此高頻逆變電源可將75130V的蓄電池直流電壓逆變為110V, 20kHz的交流電壓。對高頻逆變電源的控制主要分兩部分:逆變控制和斬波控制。斬波控制可將75-130V波動的蓄電池直流電壓變成70V的直流電壓。逆變控制可將此直流電壓逆變為70V, 20kHz的交流電壓，最后經變壓器得到110V, 20kHz的交流電壓。驅動電路的設計使得該系統的應用更加易行。設計中說明了各元件參數的計算和選擇方法，提出了對IGBT的短路保護方案。關鍵詞: IGBT; 逆變電源; 斬波器; 短路 Designing of 2kVA High Frequency Inverter PowerAbstract：Thi

7、s paper has designed a inverter power supply of volume 2kVA, working frequency 20kHz, based on that has analyzed the characteristic of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). It was provided the working theory of DC voltage circuit and bridge type invert circuit. The high frequency inverter power

8、can invert 75-130 volt vibrating DC voltage which comes from battery charge into 110 volt, 20kHz AC voltage.The control of high frequency inverter power consists of two parts: Chopper Control and Inverter Control. Chopper Control can change 75-130 volt vibrating DC voltage into 70 volt DC voltage an

9、d Inverter Control can invert the DC voltage into 70 volt, 20kHz AC voltage, at last, from transformer we can get 110 volt, 20kHz AC voltage. The drive circuit is so convenient and easy to use. Every component in the system is designed and chosen. This paper presents the way of shot circuit protecti

10、on.Key words: IGBT; inverter power; chopper; short circuit第1章 緒 論逆變電源運用先進的功率電子器件和高頻逆變技術，使傳統的工頻整流電源的材料減少80%，節能20%，動態反映速度提高2一3個數量級，并向著高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發展。400HZ中頻逆變電源供電系統作為世界各國廣泛應用于飛機、艦船、雷達、通信、導彈、車輛的標準供電系統，一般為高、精、尖的電子設備提供工作電源。1.1逆變電源系統結構及控制技術的發展 逆變電源中實現電能變換的關鍵部件是電力電子開關器件，其特性對變流電路的性能起著至關重要的作用。只有具備高

11、性能的開關器件，才能通過研究與之相適應的電路拓撲結構和開關控制方式，構造出性能優良的變流裝置。因此，從某種意義說，電力開關器件的發展決定著電力電子技術的發展。1.1.1恒頻、恒壓逆變電源結構形式的演變1.以快速晶閘管技術設計的逆變電源結構 早期的逆變電源，無論是交一交逆變電源還是交一直一交逆變電源，其中的逆變橋功率元件主要由快速晶閘管組成，當負載變化時，通過調節整流管導通角的大小，改變直流環電壓，最終實現逆變電源的恒頻、恒壓輸出。這種電源結構有兩個明顯的缺點:一是關斷晶閘管必須另外加裝電感、電容或輔助開關器件組成的強迫換流電路，因而電路的控制機構復雜，并使得整機體積重量加大，效率降低;二是這種

12、電路主要立足于分離元件控制，工作頻率的提高也受到限制。現在，這種電源結構己經逐漸被其它新型的電源結構所替代。 2.以IGBT設計的逆變電源結構側 隨著以IGBT為典型代表的高性能電力電子器件的發展，與之相適應的逆 變電源結構及控制技術也應運而生。脈寬調制即（PWM控制方法）具有在一個功率級內同時實現調頻、調壓以及調節速度快等優點，因而在逆變電源控制中得以廣泛應用，這種控制電路中，運用PWM技術，實現逆變電源的恒頻、恒壓輸出。PWM控制技術雖然有開關頻率高造成開關損耗大的缺點，但這一缺點由于功率開關器件性能的不斷提高能夠得以逐漸克服。3.有源鉗位逆變電源結構3 軟開關控制技術的研究，不但解決了硬

13、開關工作過程中存在的開通和關斷時的能量損耗問題，而且也使得逆變電源的拓撲結構發生了重大變化。一種由場控晶閘管組成的有源鉗位逆變電源結構。電路中，利用諧振元件Lr、Cr以及諧振控制開關Sr的協同工作，在逆變器輸入的直流電壓電路中產生諧振，從而把輸入的直流電壓轉化為一系列高頻脈沖電壓波供給逆變橋，最終實現逆變橋所有器件的ZVS開關工作。這種電源結構形式的突出優點是器件開關損耗低、電源能量轉換效率高，是當前逆變電源領域的熱點 1.12逆變電源PWM控制技術的發展1.傳統的PWM控制技術 PWM脈沖，可通過多種方法，產生，用正弦參考波和三角形載波比較產生PWM制和雙極性調制。單極性調制使用單極性三角波

14、和參考波比較產生，而雙極性調制波形是通過雙極性三角波和參考波比較產生。圖1一4是單極性調制波形，圖1一5是雙極性調制波形。 圖1一5雙極性調制的SPWM波 參考波除用正弦波外，還可以采用矩形波、梯形波等，載波信號也可用鋸齒波。不同載波和參考波組合時輸出波形的特點總結如下: 1.載波為三角波或鋸齒波，參考波為正弦波時，不會出現相對于參考波頻 率的奇次倍諧波。 2.載波為三角波或鋸齒波時，基波的振幅和調制度成正比。 3.當載波為鋸齒波時，有Ws士2Wo，2Ws，等諧波，。Ws為載波角頻率。 而載波為三角波時這些諧波不存在。 4.三相PWM時，三相共用一相載波與三相分別有自己對應的載波所輸出的諧波不

15、同。與單相載波比較，三相載波時，雖然Ws士2Wo，2Ws，沒有了，但2Ws分量卻增加了。 5.三相PWM時，利用線電壓進行控制可以提高直流電源的利用率，并且減小開關頻率。 6.載波和參考波的頻率對PWM性能也起著至關重要的作用。若載波與參考波的相位不同步，則相鄰參考波周期內的脈沖將是不同的。當載波頻率大大小于參考波頻率時，這種不同步造成的影響可以忽略;當兩者頻率接近時，此時應該用鎖相電路，使參考波與載波之間有固定的相位關系來克服頻率跳動。2.新型逆變電源控制技術 傳統的PWM技術重點研究如何通過恰當設計開關模式來實現逆變電源輸出頻譜的優化，并沒有考慮信號傳輸過程中開關點的變化，而且通常只能通過

16、反饋控制來調節輸出電壓的有效值或平均值。 在閉環調節脈寬調制的逆變電源系統中，要求能在瞬時或周期性的負載變動下，輸出低諧波含量的波形:最有效地改善輸出波形及其動態性能的方案是根據輸出波形的變化情況來對1鄧加開關點加以調整，從而抑制開關死區和負載諧波電流對輸出電壓的影響。近年來，主要有以下幾種方案來研究: l)電流控制兩態調制技術 2)無差拍控制法 3)自適應控制法 4)實時消除諧波控制法 電流控制兩態調制技術即CCTSM(Currcnt Controlled Two StateModulation)控制技術，該方法是讓輸出端的電壓、電流跟蹤給定參考電壓、電流，最終輸出誤差信號去控制開關器件，使

17、輸出電壓、電流在給定值的附近變化，與給定值的誤差取決于滯環比較器的滯環寬度。電流控制兩態調制技術具有以下優點: 1)電流控制兩態調制技術的實現電路簡單，而且性能很好。 2)基于這種技術控制的電源系統具有很好的穩定性。由于采用了兩個反饋環:電流內環、電壓外環，使得調制系統對電路參數的敏感性大大降低，魯棒性明顯提高;而且，由于內環的高度穩定性，及電 壓環的高增益，系統的動態性能也得到了提高。 3)采用這種系統的逆變器可以很好地并聯運行。只需要簡單地將其中 一個誤差放大器的輸出作其它并聯的受控電流放大器的輸入，電流內環就能保證各并聯裝置平均分配工作電流。 4)這種系統具有內在的限流保護能力。由于功率

18、開關上的電流被直接反 饋回去調節功率開關的狀態，并且由于電流內環的快速響應能力，使 得功率開關上的電流完全受控于電流內環的給定值，而這個給定值由 限幅放大器輸出，因此流過功率開關的最大電流正比于限幅放大器的 限定值，可以使功率開關在系統過載甚至短路時得到保護，可靠性大 大提高。 無差拍控制方法是、一種基于微機實現的PWM方案。其控制的基本思想是:將輸出正弦參考波等間隔地劃分為若干個取樣周期，根據電路在每一取樣周期的起始值，用電路理論計算出關于取樣周期中心對稱的方一波脈沖作用下，負載輸出在取樣周期末尾時的值。這個輸出值的大小，與方波脈沖的極性與寬度有關，適當控制力一波脈沖的極性與寬度，就能使負載

19、上的輸出在取樣周期的末后與輸出參考波形相重合。不斷調整每一取樣周期內力一波脈沖的極性與寬度，就能在負載上獲得諧波失真小的輸出。 無差拍控制方法具有以下優點: l)快速消除系統誤差。它能在負載發生突變時實時地修正取樣周期內方波脈沖的寬度，以期在取樣周期的末尾盡可能地接近輸出波形。由此可見，這種方法調節時間僅為一個取樣周期，對誤差消除動作非常快。 2)由于無差拍控制方程中包含有直流電源電壓E的作用，這為消除直流電源彎化給逆變器輸出造成的影響提供了可能性。 自適應控制技術是指具有適應能力的控制器，它適用于系統數學模型未知，或者運行過程中會發生變化的情況。在具體工作中，控制器通過連續地或周期地對被控對

20、象進行在線辨識，然后根據所獲得的信息，將當前的系統性能與期望的或者最優的性能相比較，判斷決定所需的控制器參數或所需的控制信號，最后通過修正裝置實現這項決策，從而使系統趨向所期望的性能。 自適應控制具有以下優點: l)自適應控制能有效地消除由于周期性的未知的系統特性參數變化而對 系統輸出造成的影響。 2)自適應校正控制具有較快的誤差收斂速度，而且能夠保證系統在人的 負載擾動下的穩定性C 3)自適應控制在設計時不必知道被控系統的數學模型，而只需要在應用中用實時辨識的模型代林，這使得這種控制方案尤其適用那些系統模型未知或者運行過程中會發生變化的情況。 自適應控制具有以下優點: 實時消諧PWM控制是一

21、種經過計算的控制策略，其基本方法是:通過PWM控制的傅立葉級數分析，得出傅立葉級數展開式，以脈沖相位角為未知數，令某此特定的諧波為零，便得到一個非線性方程組，該方程組即為消諧PWM模型。按模型求解的結果進行控制，則輸出不含這些特定的低次諧波。 實時消諧策略，只需要較少的開關脈沖數即可完全消除容量較大的低階高次諧波，取得很好地濾波效果，同時具有開關頻率低、開關損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優點。和其它1擬從控制技術相比，一方面能夠克服高頻p叫技術為消除低次諧波而導致開關頻率高的缺點;另一方面能克服大功率逆變電源中運用的波形重構技術為降低諧波含量而導致主電路和控制電路復雜的缺點。 但是，上

22、述控制方案也有一此不足之處，主要表現在:電流控制兩態調制技術，電路的開關頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開關頻率隨其跟隨的輸出幅值變化而變化，諧波成分隨機分布，故不利于在大功率逆變器中應用。無差拍控制方法是基于電路計算的一種方法，因而對電路中元器件參數的精度要求很高，故不適于應用在負載經常變動的場合。自適應控制由于是一種非線性控制方案，其反饋控制的設計比較復雜，系統模型及穩定性分析也非常困難。實時消諧控制技術由于要求實時求解消諧模型，因而對控制器的運算速度要求極高，目前還未有實際應用。 七十年代以來，飛速發展的集成電路微細加工技術被引入到電力半導體器件制造中來，是使之同高電壓、大電流的

23、設計制造技術相結合，跨入了功率集成的層次，從而使以晶閘管應用為代表的低頻電力電子技術發展到高頻電力電子技術，成為舉世矚目的一種節能省財的高技術。可以說，70年代電力電子器件的主要標準是大容量，即電流*電壓。80年代電力電子器件發展的主要目標是高頻化，評價期的標準是功率*頻率。到90年代電力電子器件發展的主要標準則是高性能，即大容量、高頻率、易驅動、低損耗。因此，評價器件的主要標準是容量、開關速度、驅動功率、通態壓降、芯片利用率。12作為在國際上已取得廣泛應用電力電子期的前期產品GTO、GTR、MOSFET正向著產品多樣化、結構模塊化、復合化，特性參數高電壓、大電流等特點發展，適用于大容量設備，

24、但由于其電流增益太低，所需驅動功率也較大，驅動復雜，應用受到一定局限。GTR器件已模塊化，在中小容量裝置中得到推廣，但其驅動功率也較大，開關速度慢，影響了逆變器的工作頻率與輸出波形；MOSFET器件開關速度快，驅動功率小，但器件功率等級低，導通壓降大，限制了逆變器的容量。隨著半導體技術的發展，出現了各種新型的功率電子元件。絕緣柵雙集型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）便是在GTR和MOSFET之間取其長，避其短而出現的新器件。它實際上是用MOSFET驅動雙集型晶體管，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。即高電壓、大電流

25、、開關速度快、電壓驅動，驅動功率小，可采用低成本的集成驅動電路控制，具有安全工作區寬，較高的耐短路電流的能力，是一種理想的新型電力電子器件。由于IGBT的特點，其應用領域迅速擴大。所有這些表明，對于需要高中壓大電流密度并且開關頻率在20至50kHz的應用領域來說，IGBT是一種很好的選用器件。電力電子技術是一門利用電力電子器件對電能控制、轉換和傳輸的學科，它由電力電子器件、交流電路和控制電路三部分組成，它涉及電力、電子、控制三大電氣工程領域，又與現代控制理論、材料科學、電機工程學、計算機科學等許多領域密切相關，已逐步發展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。各種高頻化全控型器件的不斷問世和迅

26、猛發展使得電力電子變流電路及其控制系統不斷革新。如，各種脈寬調制（PWM）電路、零電壓零電流開關諧振電路以及高頻斬波電路等已成為現代電力電子技術的重要組成部分。這些新型電路的主要作用是使直流逆變成各種頻率的交流。電力電子技術已由當年的整流時代進入逆變時代。逆變電源是由電力電子器件、變流電路和驅動保護電路三部分組成。電力電子器件是逆變電源的功率器件，是面向負載的一端；驅動保護電路是微電子器件，是面向電子控制的一端；而變流電路則是把兩者結合在一起進行協調工作的部分。逆變電源一般分為兩種：一種為恒壓恒頻電路，用于UPS及特種用途等電源裝置；另一種為調壓調頻電路，用于交流電機調速系統。調壓調頻作為逆變

27、器的一個應用領域有了較大的發展，在一些發達國家，已形成了較完整的電力變頻產業體系。目前，逆變電源正朝向小型化、低噪聲、多功能、智能化、多用途和高可靠性發展。1.2高頻電力電子技術的理論基礎許多國家把50HZ或60HZ規定為標準工業頻率，這是根據發電機的機械強度來確定的。對于一切傳統的電磁轉換電氣設備來說，如電動機、電抗器、變壓器等，都要根據這一標準頻率進行設計。隨著電力半導體器件的發展和逆變技術的推廣使用，以及新型高頻鐵磁材料的發展，人們正在提高這個工作頻率的范圍，供電頻率的提高，以為著體積、重量的減小345。電磁感應原理指出，感應電勢E正比于磁鏈的變化率：其中，是線圈匝數，是磁通。而，S是磁

28、導體的截面積，B是磁通密度。若B=，即B依正弦變化時（Bm是峰值磁通密度）代入上式，則有E=-WSBm那么， 峰值電壓Vm=WSBm但是， 于是V=4.44WSBmf由此可見，對于確定的磁性材料，磁通密度Bm-選定的，與磁性材料性能相關的常數，當電壓V取為常數時，可見WS之積同供電頻率f成反比，當頻率f升高，將帶來WS的減小，W減小意味著體積的減小，S意味著鐵心重量減小。一般說來，電氣設備的體積和重量隨著供電頻率的平方根成反比地減小，現代電力電子技術能把頻率升到20KHZ以上，這就邁過了音頻（6到12KHZ）和超聲頻（12到16KHZ）波段，消除了運行中的噪聲和給操作人員帶來的煩惱。按20KH

29、Z設計的電氣設備，其體積、重量只有50HZ同容量設備的二十分之一，這就是高頻電力電子設備會產生很高效益的理論來源。在高頻下，變壓器的重量、體積可以幾十倍地縮小，再在高頻下整流，濾波器大為減輕，紋波也大幅度的減小了。總之，采用電力電子新技術實現功率變頻，使電氣產品小型化、節能化、智能化。它所帶來的效益已在科研、軍事、國民經濟中得到廣泛的證實。1.3 本課題的提出當今，交流傳動機車已遍及世界各大洲，德國、瑞士等國已經停止直流機車的生產。而目前在我國的鐵路上，牽引機車以直流傳動的內燃機車為主，其次是直流傳動電力機車，還有少量的蒸汽機車。這與國際上的先進水平相比有著巨大的差距，為了追趕先進，縮小差距，

30、鐵道部制定的未來發展科技政策是：大力發展電力機車，合理發展內燃機車，特別要發展交流傳動機車。這是因為交流傳動相比直流傳動有很大的技術經濟方面的優勢，其效率約高8%，而且，維修費用大約是直流傳動的35%。我國是一個能源相對缺乏的過家，發展交流傳動機車對緩解能源緊張，提高經濟效益很有好處。因此，發展交流傳動機車成為科研攻關的重點，本課題就是在這樣的背景下提出的。第2章 IGBT特性及應用要求2.1 IGBT的結構特性IGBT是強電流、高壓應用和快速終端設備用垂直功率MOSFET的自然進化。由于實現一個較高的擊穿電壓BVDSS需要一個源漏通道，而這個通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具

31、有RDS(on)數值高的特征，IGBT消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進了RDS(on)特性，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT 技術高出很多。較低的壓降，轉換成一個低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結構，同一個標準雙極器件相比，可支持更高電流密度，并簡化IGBT驅動器的原理圖。導通IGBT硅片的結構與功率MOSFET 的結構十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術沒有增加這個部分）。其中一個MOSFET驅動兩個雙極器件。基片的應用在管體的P+和N+ 區之間創建了一個J1結。當

32、正柵偏壓使柵極下面反演P基區時，一個N溝道形成，同時出現一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產生一股電流。如果這個電子流產生的電壓在0.7V范圍內，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區內，并調整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結果是，在半導體層次內臨時出現兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)； 空穴電流（雙極）。關斷當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區內。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內還存在少數的載流子（少

33、子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關，如摻雜質的數量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續流二極管的設備上，問題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關，尾流的電流值應與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關的空穴移動性有密切的關系。因此，根據所達到的溫度，降低這種作用在終端設備設計上的電流的不理想效應是可行的。 反向阻斷當集電極被施加一個反向電壓時， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，

34、這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區域尺寸，就會連續地提高壓降。第二點清楚地說明了NPT器件的壓降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的壓降高的原因。正向阻斷當柵極和發射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/N J3結受反向電壓控制。此時，仍然是由N漂移區中的耗盡層承受外部施加的電壓。閂鎖IGBT在集電極與發射極之間有一個寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現象會使集電極與發射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態有密切關系。通常情況

35、下，靜態和動態閂鎖有如下主要區別：(1) 當晶閘管全部導通時，靜態閂鎖出現。(2) 只在關斷時才會出現動態閂鎖。這一特殊現象嚴重地限制了安全操作區 。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現象，有必要采取以下措施：(3) 防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。(4) 降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結溫的關系也非常密切；在結溫和增益提高的情況下，P基區的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。正向導通特性在通態中，IGBT可以按照“第一近

36、似”和功率MOSFET驅動的PNP晶體管建模。IC是VCE的一個函數（靜態特性），假如陰極和陽極之間的壓降不超過0.7V，即使柵信號讓MOSFET溝道形成，集電極電流IC也無法流通。當溝道上的電壓大于VGE -Vth 時，電流處于飽和狀態，輸出電阻無限大。由于IGBT結構中含有一個雙極MOSFET和一個功率MOSFET，因此，它的溫度特性取決于在屬性上具有對比性的兩個器件的凈效率。功率MOSFET的溫度系數是正的，而雙極的溫度系數則是負的。本圖描述了VCE(sat) 作為一個集電極電流的函數在不同結溫時的變化情況。當必須并聯兩個以上的設備時，這個問題變得十分重要，而且只能按照對應某一電流率的V

37、CE(sat)選擇一個并聯設備來解決問題。有時候，用一個NPT進行簡易并聯的效果是很好的，但是與一個電平和速度相同的PT器件相比，使用NPT會造成壓降增加。2.2 IGBT的工作原理和工作特性IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供基極電流，使 IGBT 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關斷。 IGBT 的驅動方法和 MOSFET 基本相同，只需控制輸入極 N 一溝道 MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。 當 MOSFET 的溝道形成后，從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴（少子），對 N 一層進行電導調制，減小 N 一層

38、的電阻，使 IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。 IGBT 的工作特性包括靜態和動態兩類： 1 靜態特性 IGBT 的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。 IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs 的控 制， Ugs 越高， Id 越大。它與 GTR 的輸出特性相似也可分為飽和區、放大區和擊穿特性三部分。在截止狀態下的 IGBT ，正向電壓由 J2 結承擔，反向電壓由 J1 結承擔。如果無 N+ 緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入 N+ 緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制

39、了IGBT 的某些應用范圍。 IGBT 的轉移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的關系曲線。它與 MOSFET 的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th) 時， IGBT 處于關斷狀態。在 IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內，Id 與 Ugs 呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V 左右。 IGBT 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態時，由于它的 PNP 晶體管為寬基區晶體管，所以其 B 值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過 MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態電壓 Uds(

40、on) 可用下式表示 ：Uds(on) Uj1 Udr IdRoh 式中 Uj1 JI 結的正向電壓，其值為 0.7 IV ； Udr 擴展電阻 Rdr 上的壓降； Roh 溝道電阻。 通態電流 Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中 Imos 流過 MOSFET 的電流。 由于 N+ 區存在電導調制效應，所以 IGBT 的通態壓降小，耐壓1000V 的IGBT 通態壓降為2 3V 。 IGBT 處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。 2 動態特性 IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為 MOSFET來運行的，只是在漏源電壓 Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大

41、區至飽和，又增加了一段延遲時間。 td(on) 為開通延遲時間，tri 為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間 ton 即為 td(on)tri之和。漏源電壓的下降時間由 tfe1和tfe2 組成。如圖2.1所示。圖2.1 IGBT開通時的電流、電壓波形IGBT 在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為 MOSFET 關斷后， PNP 晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間， td(off) 為關斷延遲時間， trv 為電壓 Uds(f) 的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間 Tf 由圖 2.2中的 t(f1) 和 t(f2) 兩段組成，而漏極電流

42、的關斷時間 t(off)=td(off)+trv 十 t(f) 式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲時間。 圖2.2 IGBT關斷時的電流、電壓波形2.3 IGBT的擎住效應2.3.1擎住效應 在分析擎住效應之前，我們先回顧一下 IGBT 的工作原理（這里假定不發生擎住效應）。 1 當 Uce 0 時， J3 反偏，類似反偏二極管， IGBT 反向阻斷； 2 當 Uce 0 時，在 UcUth 的情況下，溝道未形成， IGBT 正向阻斷；在U 。 Uth 情況下，柵極的溝道形成，N+ 區的電子通過溝道進入 N 一漂移區，漂移到 J3 結，此時 J3 結是正偏，也向 N 一區注入空

43、穴，從而在 N 一區產生電導調制，使 IGBT 正向導通。 3 IGBT 的關斷。在IGBT 處于導通狀態時，當柵極電壓減至為零，此時 Ug 0 Uth ，溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使 Ic 有一個突降。但由于 N 一區注入大量電子、空穴對， IC 不會立刻為零，而有一個拖尾時間。圖2.3 具有寄生晶體管的IGBT等效電路IGBT 為四層結構，體內存在一個奇生晶體管，其等效電路如圖 2 .3所示。在 V2 的基極與發射極之間并有一個擴展電阻 Rbr ，在此電阻上 P 型體區的橫向空穴會產生一定壓降，對 J3 結來說，相當于一個正偏置電壓。在規定的漏極電流范圍內，這個正偏置電壓不大， V

44、2 不起作用，當 Id 大到一定程度時，該正偏置電壓足以使 V2 開通，進而使 V2 和 V3 處于飽和狀態，于是寄生晶體管開通，柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應 .IGBT 發生擎住效應后，漏極電流增大，造成過高功耗，導致損壞。可見，漏極電流有一個臨界值 Idm 。，當 Id Idm 時便會產生擎住效應。 在 IGBT 關斷的動態過程中，假若 dUdsdt 過高，那么在 J2 結中引起的位移電流Cj2（dUds/dt ）會越大，當該電流流過體區擴展電阻 Rbr 時，也可產生足以使晶體管 V2 開通的正向偏置電壓，滿足寄生晶體管開通擎住的條件，形成動態擎住效應。使用中必須防止 IGBT

45、發生擎住效應，為此可限制 Idm 值，或者用加大柵極電阻 Rg 的辦法延長 IGBT 關斷時間，以減少dUds/dt值。 值得指出的是，動態擎住所允許的漏極電流比靜態擎住所允許的要小，放生產廠家所規定的） Id 值是按動態擎住所允許的最大漏極電流來確定的。 2.3.2安全工作區 安全工作區（SOA）反映了一個晶體管同時承受一定電壓和電流的能力。 IGBT 開通時的正向偏置安全工作區（ FBSOA ），由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大漏極電流 Idm是根據避免動態擎住而設定的，最大漏源電壓 Udsm是由IGBT 中晶體管 V3 的擊穿電壓所確定，最大功耗則是由最高允許結溫所決定。導通

46、時間越長，發熱越嚴重，安全工作區則越窄，如圖2.4所示。 圖2.4 IGBT的安全工作區a)IGBT的正向偏置 b)IGBT的反向偏置IGBT 的反向偏置安全工作區（RBSOA）如圖 2.4b 所示，它隨 IGBT 關斷時的dUdsdt而改變，dUds dt 越高， RBSOA 越窄。2.4 IGBT的驅動與保護技術因為IGBT的輸入特性與MOSFET的輸入特性非常相似，輸入阻抗均呈容性，都屬電壓驅動，都具有一定的開啟電壓，因而兩者的驅動原理相同。在驅動IGBT時，IGBT的靜態和動態特性與柵極驅動密切相關，柵極的正偏壓十Uge,負偏壓一Uge和柵極電阻Rg的大小，對IGBT的通態電壓，開關時

47、間，開關損耗，承受短路能力以及DUds/dt等參數都有不同程度的影響，下面分別討論驅動條件對各種特性參數的影響情況:： 圖2.5 正偏置電壓UGE（ON）與UCE和EON的關系正偏置電壓 Uge 增加，通態電壓下降，開通能耗 Eon 也下降，分別如圖 2.5a和b 所示。由圖中還可看出，若+Uge 固定不變時，導通電壓將隨漏極電流增大而增高，開通損耗將隨結溫升高而升高。負偏置電壓 Uge增高時漏極電流明顯下降，為了IGBT的可靠工作，通常在關斷時加一負偏壓，一般為一V5左右。 圖2.6 UGE與集電極浪涌電流和關斷能耗EOFF的關系a)-UGE與集電極浪涌電流關系 b)-UGE與關斷能耗EOF

48、F的關系 門極電阻 Rg 增加，將使 IGBT 的開通與關斷時間增加；因而使開通與關斷能耗均增加。而門極電阻減少，則又使 di/dt 增大，可能引發 IGBT 誤導通，同時 Rg 上的損耗也有所增加。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流上升率，需要在柵極回路中串聯電阻Rg。柵極電阻Rg的取值要適當，從減小電流上升率、防止器件損壞方面考慮，凡選得大一些好，但Rg增大會使IGBT的開關時間增加，進而使開關損耗增加，因此，應根據IGBT的電流容量和電壓額定值及開關頻率的不同，選擇合適的Rg阻值。一般應選擇在十幾歐至幾百歐之間。由上述不難得知： IGBT 的特性隨門板驅動條件的變

49、化而變化 , 就象雙極型晶體管的開關特性和安全工作區隨基極驅動而變化一樣。但是 IGBT 所有特性不能同時最佳化。 (2)IGBT的保護 由于IGBT與MOSFET一樣具有極高的輸入阻抗，容易造成靜電擊穿，故在存放和測試時應采取防靜電措施。將IGBT用于電力變換時，為了保證安全運行，防止異常現象造成器件損壞，必須采取完備的保護措施。常用的保護措施有: 通過檢出的過電流信號切斷柵極信號，實現過電流保護; 利用緩沖電路抑制過電壓，并限制過高的du/dt; 利用溫度傳感器檢測IGBT的外殼溫度，當超過允許溫度時主電路跳閘，實現過熱保護。雙極型晶體管的開關特性隨基極驅動條件（ Ib1，Ib2）而變化。

50、然而，對于 IGBT 來說，正如圖2.6 所示，門極驅動條件僅對其關斷特性略有影響。因此，我們應將更多的注意力放在 IGBT的開通、短路負載容量上。 對驅動電路的要求可歸納如下 (1) IGBT與 MOSFET 都是電壓驅動，都具有一個2.5 5V 的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此 IGBT 對柵極電荷非常敏感故驅動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅動電路與 IGBT 的連線要盡量短。 (2) 用內阻小的驅動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓 Uge, 有足夠陡的前后沿，使 IGBT 的開關損耗盡量小。另外，IGBT 開通后，柵極驅動源應能提供足夠的功率，使 IGBT

51、 不退出飽和而損壞。 (3) 驅動電路要能傳遞幾十kHz 的脈沖信號。 (4) 驅動電平十 Uge 也必須綜合考慮。 Uge 增大時，IGBT通態壓降和開通損耗均下降，但負載短路時的 Ic 增大， IGBT 能承受短路電流的時間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設備中 Uge 應選得小些，一般選12 -15V 。 (5) 在關斷過程中，為盡快抽取 PNP 管的存儲電荷，須施加一負偏壓 Uge, 但它受 IGBT 的 G 、E 間最大反向耐壓限制，一般取 -1v -10V 。 (6) 在大電感負載下， IGBT 的開關時間不能太短，以限制出 di/dt 形成的尖峰電壓，確保 IGBT 的安全。 (7) 由于 IGBT 在電力電子設備中多用于高壓場合，故驅動電路與控制電路在電位上應嚴格隔離。 (8) IGBT 的柵極驅動電路應盡可能簡單實用，最好自身帶有對 IGBT 的保護功能，以增強抗干擾能力。2.5集成化IGBT專用驅動器EXB841 現在，大電流高電壓的IGBT己模塊化，它的驅動電路除上面介紹的由分立元件構成之外，現在己制造出集成化的IGBT專用驅動電路。其性能更好，整機的可靠性更高及體積更小。圖2.7 EXB系列集成驅動器的內部框圖a）EXB850，851（標準型）b）EXB840，841（高速型）集成化驅動電路的構成及性能 下面以富士電機公司EXBj系列驅