1、IGBT 模塊的原理及保護(hù)事項(xiàng)IGBT 模塊的原理及保護(hù)事項(xiàng)IGBT 原理及保護(hù)技術(shù)電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類：1 靜態(tài)特性IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)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(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性三部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ， 正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)， 反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+ 緩沖區(qū)后，

2、反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時(shí)， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id 與 Ugs 呈線性關(guān)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(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此

3、時(shí)，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示Uds(on) = Uj1 + Udr+IdRoh式中 Uj1 JI 結(jié)的正向電壓；Udr 擴(kuò)展電阻 Rdr 上的壓降；Roh 溝道電阻。通態(tài)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(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V 的IGBT 通態(tài)壓降為 23V。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。2 動(dòng)態(tài)特性IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期，PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲

4、時(shí)間。td(on)為開通延遲時(shí)間，tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間ton 即為 td (on) 與 tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfe1 和 tfe2 組成，在IGBT 在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥巍Ｒ驗(yàn)镸OSFET 關(guān)斷后，PNP 晶體 管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時(shí)間，td(off) 為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv 為電壓 Uds(f) 的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給由的漏極電流的下降時(shí)間Tf由t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間t(off)=td(off)+trv 十 t(f)式中， td(off) 與 trv 之和又稱為

5、存儲(chǔ)時(shí)間。IGBT 模塊驅(qū)動(dòng)及保護(hù)技術(shù)2、 IGBT 柵極特性何志偉 華南理工大學(xué)雅達(dá)電源實(shí)驗(yàn)室IGBT 是 MOSFET 與雙極晶體管的復(fù)合器件。它既有MOSFET 易驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。其頻率特性介于MOSFET 與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz 頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。IGBT 是電壓控制型器件，在它的柵極-發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有以A級(jí)的漏電流流過，基本上不消耗功率。但 IGBT 的柵極-發(fā)射極間存在著較大的寄生電容(幾千至上萬pF),在驅(qū)動(dòng)脈沖電壓的上升及下降沿需要提供數(shù)A的充放電電流，才能滿足開通和

6、關(guān)斷的動(dòng)態(tài)要求，這使得它的驅(qū)動(dòng)電路也必須輸出一定的峰值電流。IGBT 作為一種大功率的復(fù)合器件，存在著過流時(shí)可能發(fā)生鎖定現(xiàn)象而造成損壞的問題。在過流時(shí)如采用一般的速度封鎖柵極電壓，過高的電流變化率會(huì)引起過電壓，為此需要采用軟關(guān)斷技術(shù)，因而掌握好IGBT 的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)特性是十分 必要的。1 .柵極特性IGBT 的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，具擊穿電壓一般只能達(dá)到2030V,因此柵極擊穿是IGBT 失效的常見原因之一。在應(yīng)用中有時(shí)雖然保證了柵極驅(qū)動(dòng)電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極集電極間的電容耦合，也會(huì)產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此。 通常采用

7、絞線來傳送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以減小寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。由于 IGBT 的柵極發(fā)射極和柵極集電極間存在著分布電容 Cge 和 Cgc， 以及發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電路中存在有分布電感Le,這些分布參數(shù)的影響，使得 IGBT的實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形與理想驅(qū)動(dòng)波形不完全相同，并產(chǎn)生了不利于IGBT 開通和關(guān)斷的因素。這可以用帶續(xù)流二極管的電感負(fù)載電路（見圖1 ）得到驗(yàn)證。在 t0 時(shí)刻， 柵極驅(qū)動(dòng)電壓開始上升，此時(shí)影響柵極電壓uge上升斜率的主要因素只有Rg 和 Cge ，柵極電壓上升較快。在 t1 時(shí)刻達(dá)到IGBT 的柵極門檻值，集電極電流開始上升。從此時(shí)開始有2 個(gè)原因?qū)е聈ge 波形偏離原有

8、的軌跡。首先，發(fā)射極電路中的分布電感Le 上的感應(yīng)電壓隨著集電極電流 ic 的增加而加大，從而削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓，并且降低了柵極發(fā)射極間的uge 的上升率，減緩了集電極電流的 增長。其次，另一個(gè)影響柵極驅(qū)動(dòng)電路電壓的因素是柵極集電極電容Cgc 的密勒效應(yīng)。t2 時(shí)刻， 集電極電流達(dá)到最大值，進(jìn)而柵極集電極間電容Cgc 開始放電，在驅(qū)動(dòng)電路中增加了 Cgc 的容性電流，使得在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，也削弱了柵極驅(qū)動(dòng)電壓。顯然，柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗越低，這種效應(yīng)越弱，此效應(yīng)一直維持到t3 時(shí)刻， uce 降到零為止。它的影響同樣減緩了IGBT 的開通過程。在t3 時(shí)刻后，ic 達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，影響柵

9、極電壓uge 的因素消失后，uge 以較快的上升率達(dá)到最大值。由圖 1 波形可看出，由于Le 和 Cgc 的存在，在IGBT的實(shí)際運(yùn)行中uge 的上升速率減緩了許多，這種阻礙驅(qū)動(dòng)電壓上升的效應(yīng)，表現(xiàn)為對集電極電流上升及開通過程的阻礙。為了減緩此效應(yīng)，應(yīng)使IGBT 模塊的 Le 和 Cgc 及柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻盡量小，以獲得較快的開通速度。IGBT 關(guān)斷時(shí)的波形如圖2 所示。 t0 時(shí)刻?hào)艠O驅(qū)動(dòng)電壓開始下降，在 t1 時(shí)刻達(dá)到剛能維持集電極正常工作電流的水平， IGBT 進(jìn)入線性工作區(qū)，uce 開始上升，此時(shí)，柵極集電極間電容Cgc 的密勒效應(yīng)支配著uce 的上升，因Cgc 耦合充電作用，uge

10、 在 t1 t2 期間基本不變，在t2 時(shí)刻 uge和 ic 開始以柵極發(fā)射極間固有阻抗所決定的速度下降，在t3 時(shí)， uge 及 ic 均降為零，關(guān)斷結(jié)束。由圖 2 可看出，由于電容Cgc 的存在，使得IGBT 的關(guān)斷過程也延長了許多。為了減小此影響，一方面應(yīng)選擇Cgc較小的 IGBT 器件；另一方面應(yīng)減小驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻抗，使流入 Cgc 的充電電流增加，加快了uce 的上升速度。在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT 的 uge 幅值也影響著飽和導(dǎo)通壓降： uge 增加，飽和導(dǎo)通電壓將減小。由于飽和導(dǎo)通電壓是IGBT 發(fā)熱的主要原因之一，因此必須盡量減小。通常uge為1518V,若過高，容易造成柵極擊穿。

11、一般取15V°IGBT 關(guān)斷時(shí)給其柵極發(fā)射極加一定的負(fù)偏壓有利于提高IGBT的抗騷擾能力，通常取 510V。2 . 柵極串聯(lián)電阻對柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速率對IGBT 開通關(guān)斷過程有著較大的影響。IGBT 的 MOS 溝道受柵極電壓的直接控制，而MOSFET 部分的漏極電流控制著雙極部分的柵極電流，使得IGBT 的開通特性主要決定于它的MOSFET 部分， 所以 IGBT的開通受柵極驅(qū)動(dòng)波形的影響較大。IGBT 的關(guān)斷特性主要取決于內(nèi)部少子的復(fù)合速率，少子的復(fù)合受MOSFET 的關(guān)斷影響，所以柵極驅(qū)動(dòng)對IGBT 的關(guān)斷也有影響。在高頻應(yīng)用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓的上升、下降速

12、率應(yīng)快一些，以提高 IGBT 開關(guān)速率降低損耗。在正常狀態(tài)下IGBT 開通越快，損耗越小。但在開通過程中如有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和吸收電容的放電電流，則開通越快，IGBT 承受的峰值電流越大，越容易導(dǎo)致IGBT損害。此時(shí)應(yīng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，抑制該電流的峰值。其代價(jià)是較大的開通損耗。利用此技術(shù)，開通過程的電流峰值可以控制在任意值。由以上分析可知，柵極串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻抗對IGBT的開通過程影響較大，而對關(guān)斷過程影響小一些，串聯(lián)電阻小有利于加快關(guān)斷速率，減小關(guān)斷損耗，但過小會(huì)造成di/dt過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓尖峰。因此對串聯(lián)電阻要根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求進(jìn)

13、行全面綜合的考慮。柵極電阻對驅(qū)動(dòng)脈沖的波形也有影響。電阻值過小時(shí)會(huì)造成脈沖振蕩，過大時(shí)脈沖波形的前后沿會(huì)發(fā)生延遲和變緩。IGBT 的柵極輸入電容Cge 隨著其額定電流容量的增加而增大。為了保持相同的驅(qū)動(dòng)脈沖前后沿速率，對于電流容量大的 IGBT 器件，應(yīng)提供較大的前后沿充電電流。為此，柵極串聯(lián)電阻的電阻值應(yīng)隨著IGBT 電流容量的增加而減小。3、 IGBT 的保護(hù)功能嚴(yán)智淵 無錫富樂電子有限公司3.1 GBT 的過流保護(hù)IGBT 的過流保護(hù)電路可分為2 類：一類是低倍數(shù)的（1.21.5倍）的過載保護(hù)；一類是高倍數(shù)（可達(dá)810倍）的短路保護(hù)。對于過載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測輸入

14、端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)， 封鎖所有IGBT 驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護(hù)，一旦動(dòng)作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。IGBT 能承受很短時(shí)間的短路電流，能承受短路電流的時(shí)間與該 IGBT 的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V 的 IGBT 允許承受的短路時(shí)間小于5以s而飽和壓降3V的IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá) 15以s, 45V時(shí)可達(dá)30以s以上。存在以上關(guān)系是由于隨著 飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT 的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方加大，造成承受短路的時(shí)間迅速減小。通常采取的保護(hù)措

15、施有軟關(guān)斷和降柵壓2 種。軟關(guān)斷指在過流和短路時(shí)，直接關(guān)斷IGBT。 但是， 軟關(guān)斷抗騷擾能力差，一旦檢測到過流信號(hào)就關(guān)斷，很容易發(fā)生誤動(dòng)作。為增加保護(hù)電路的抗騷擾能力，可在故障信號(hào)與啟動(dòng)保護(hù)電路之間加一延時(shí)，不過故障電流會(huì)在這個(gè)延時(shí)內(nèi)急劇上升，大大增加了功率損耗，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致器件的di/dt 增大。 所以往往是保護(hù)電路啟動(dòng)了，器件仍然壞了。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。降柵壓后設(shè)有固定延時(shí)，故障電流在這一延時(shí)期內(nèi)被限制在一較小值，則降低了故障時(shí)器件的功耗，延長了器件抗短路的時(shí)間，而且能夠降低器件關(guān)斷時(shí)的di/dt ，對器件保護(hù)十分有利。若延時(shí)后故障信號(hào)依然存在，

16、則關(guān)斷器件，若故障信號(hào)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。2 IGBT 開關(guān)過程中的過電壓關(guān)斷IGBT 時(shí)，它的集電極電流的下降率較高，尤其是在短路故障的情況下，如不采取軟關(guān)斷措施，它的臨界電流下降率將達(dá)到數(shù)kA/以s。極高的電流下降率將會(huì)在主電路的分布電感上感應(yīng)出較高的過電壓，導(dǎo)致IGBT 關(guān)斷時(shí)將會(huì)使其電流電壓的運(yùn)行軌跡超出它的安全工作區(qū)而損壞。所以從關(guān)斷的角度考慮，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于 IGBT 的開通來說，集電極電路的電感有利于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容器充放電造成的峰值電流，能減小開通損耗，承受較高的開通電流上升率。一般情況下IGBT 開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感，其開通損耗可以通過改善柵極驅(qū)動(dòng)條件來加以控制。3 IGBT 的關(guān)斷緩沖吸收電路為了使 IGBT 關(guān)斷過電壓能得到有效的抑制并減小關(guān)斷損耗，通常都需要給IGBT 主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型。充放電型有RC 吸收和 RCD 吸收 2 種。RC 吸收電路因電容C 的充電電流在電阻R 上產(chǎn)生壓降，還會(huì)造成過沖電壓。RCD 電路因用二極管旁路了電阻上的充電電流，從而克服了過沖電壓。圖 4 是三種放電阻止型吸收電路。放電阻止型緩沖