1、哈爾濱工業大學工學碩士學位論文哈爾濱理工大學學士學位論文- PAGE II - PAGE II -IGBT特性及其應用技術綜述摘要IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),也稱為絕緣柵雙極晶體管,是一種復合了功率場效應管和電力晶體管的優點而產生的一種新型復合器件。它同時具有MOSFET的高速開關及電壓驅動特性和雙極晶體管的低飽和電壓特性及易實現較大電流的能力。既具有輸入阻抗高、工作速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的優點，又具有通態電壓低、耐壓高和承受電流大的優點。這使得IGBT成為近年來電力電子領域中尤為矚目的電力電子驅動器件，并且得到越來越廣泛的應用。

2、本文主要介紹了IGBT的結構特性和工作原理，同時簡要概括了IGBT緩沖吸收電路的工作原理及參數計算等，通過對IGBT的串并聯技術的詳細的分析，了解了IGBT在高壓大功率領域的應用中所遇到的關鍵技術問題，及怎樣更好的解決這些問題。關鍵詞IGBT；高壓；大功率；串并聯Introduction of IGBT Characteristics and Their Application Technology AbstractIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),Also known as insulation gate bipolar transistors,

3、 is a composite of power MOSFET and power transistor advantage and produce a new composite devices.It also has the high speed switching voltage and drive characteristic bipolar transistors and the low saturation voltage characteristics and easy to reach large current capacity.The IGBT has both high

4、input impedance, speed, thermal stability and the advantages of driving circuit is simple, besides, the state has low voltage, high voltage and current under great advantages. This makes IGBT become is the attention of the power electronics device drivers, and get more and more widely in power elect

5、ronic field in recent years.This paper mainly introduces the structure characteristic and working IGBT principle, at the same time, this paper reviews the IGBT buffer absorption circuit principle of work and the parameter calculation, through to the technology of the series IGBT detailed analysis, u

6、nderstand the IGBT in the application of high voltage power with the key technological problems, and how to better solve the problems.KeywordsIGBT; high voltage; high voltage power ; series parallelPAGE II- - PAGE IV -目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328570843 摘要 PAGEREF _Toc328570843 h I HYPERLIN

7、K l _Toc328570844 Abstract PAGEREF _Toc328570844 h II HYPERLINK l _Toc328570845 第1章 IGBT的發展、結構及特性 PAGEREF _Toc328570845 h 1 HYPERLINK l _Toc328570846 1.1 IGBT的產生和發展 PAGEREF _Toc328570846 h 1 HYPERLINK l _Toc328570847 1.1.1 IGBT的產生 PAGEREF _Toc328570847 h 1 HYPERLINK l _Toc328570848 1.1.2 IGBT的發展 PAG

8、EREF _Toc328570848 h 2 HYPERLINK l _Toc328570849 1.2 IGBT的基本結構及其工作原理 PAGEREF _Toc328570849 h 3 HYPERLINK l _Toc328570850 1.2.1 IGBT的基本結構 PAGEREF _Toc328570850 h 3 HYPERLINK l _Toc328570851 1.2.2 IGBT的工作原理 PAGEREF _Toc328570851 h 4 HYPERLINK l _Toc328570852 1.2.3 IGBT的主要工作特性及主要參數 PAGEREF _Toc32857085

9、2 h 5 HYPERLINK l _Toc328570853 1.2.4 靜態特性 PAGEREF _Toc328570853 h 5 HYPERLINK l _Toc328570854 1.2.5 動態特性 PAGEREF _Toc328570854 h 7 HYPERLINK l _Toc328570855 1.2.6 主要參數 PAGEREF _Toc328570855 h 10 HYPERLINK l _Toc328570856 第2章 緩沖吸收電路 PAGEREF _Toc328570856 h 12 HYPERLINK l _Toc328570857 2.1 緩沖吸收電路概述及種

10、類 PAGEREF _Toc328570857 h 12 HYPERLINK l _Toc328570858 2.1.1 概述 PAGEREF _Toc328570858 h 12 HYPERLINK l _Toc328570859 2.1.2 緩沖電路的種類 PAGEREF _Toc328570859 h 12 HYPERLINK l _Toc328570860 2.2 IGBT緩沖電路的選取及參數計算 PAGEREF _Toc328570860 h 13 HYPERLINK l _Toc328570861 2.2.1 緩沖電路的選取及參數計算 PAGEREF _Toc328570861 h

11、 13 HYPERLINK l _Toc328570862 2.3 緩沖電路的工作特性分析與其應用中的問題及改進措施 PAGEREF _Toc328570862 h 16 HYPERLINK l _Toc328570863 2.3.1 尖峰電壓的產生 PAGEREF _Toc328570863 h 16 HYPERLINK l _Toc328570864 2.3.2 緩沖電路的工作過程分析 PAGEREF _Toc328570864 h 17 HYPERLINK l _Toc328570865 2.3.3 緩沖電路在應用中的問題及改進措施 PAGEREF _Toc328570865 h 18

12、HYPERLINK l _Toc328570866 第3章 IGBT的串并聯技術 PAGEREF _Toc328570866 h 19 HYPERLINK l _Toc328570867 3.1 串聯均壓的研究 PAGEREF _Toc328570867 h 19 HYPERLINK l _Toc328570868 3.1.1 IGBT串聯運行存在問題 PAGEREF _Toc328570868 h 19 HYPERLINK l _Toc328570869 3.1.2 影響串聯運行的因素 PAGEREF _Toc328570869 h 20 HYPERLINK l _Toc328570870

13、3.1.3 IGBT串聯的靜態均壓措施 PAGEREF _Toc328570870 h 22 HYPERLINK l _Toc328570871 3.1.4 IGBT串聯的動態均壓 PAGEREF _Toc328570871 h 24 HYPERLINK l _Toc328570872 3.2 IGBT并聯技術分析 PAGEREF _Toc328570872 h 26 HYPERLINK l _Toc328570873 3.2.1 IGBT并聯靜態均流特性分析 PAGEREF _Toc328570873 h 28 HYPERLINK l _Toc328570874 3.2.2 動態均流特性分析

14、 PAGEREF _Toc328570874 h 29 HYPERLINK l _Toc328570875 3.2.3 改善并聯均流的措施 PAGEREF _Toc328570875 h 31 HYPERLINK l _Toc328570876 結論 PAGEREF _Toc328570876 h 34 HYPERLINK l _Toc328570877 致謝 PAGEREF _Toc328570877 h 35 HYPERLINK l _Toc328570878 參考文獻 PAGEREF _Toc328570878 h 36 HYPERLINK l _Toc328570879 附錄 A PA

15、GEREF _Toc328570879 h 39 HYPERLINK l _Toc328570880 附錄 B PAGEREF _Toc328570880 h 47- PAGE 10 - PAGE 50 -IGBT的發展、結構及特性IGBT的產生和發展IGBT的產生IGBT全拼為Insulated Gate Bipolar Transistor1，譯為絕緣柵雙擊晶體管，是由BJT(Bipolar Junction Transistor雙極性三極管)和MOS (Metal- Oxide-Semiconductor即金屬-氧化物-半導體又稱絕緣柵型場效應管)組成的復合的全控型以電壓驅動式為驅動方式

16、的功率半導體器件,適合應用于直流電壓下電壓等級為600V及600V以上的變流系統中（包括變頻器、交流電機、照明電路、牽引傳動和開關電源等領域）。電力電子學誕生以后，半導體學科分為兩支:一個是以集成電路為核心的微電子學，另一個則是以大功率半導體器件為代表的電力電子學。前者集成度越來越高，后者功率越來越大，種類越來越多。采用傳統的晶閘管作為逆變元件時，由于晶閘管的開關速度慢，因此逆變器的工作頻率不可能很高，這就限制了儲能元件的充電速度和充電精度。功率場效應管MOSFET具有優越的高頻開關特性，無疑是一種更加理想的逆變器件，由于它的加入，電力電子器件在節省電能方面發揮了很大的潛力，使得半導體器件在中

17、小功率中的應用有了迅速發展。過去認為節約能量只對功率很大的工業控制才重要，現在認識到對量大面廣的日用電器節能也十分重要。節能甚至對功率很小的便攜式電器也有必要，因為它可延長電池的使用時間，在便攜式電器中，由于采用新一代MOSFET，其電池的使用壽命可增加1-4倍，這對便攜式電器是非常有利的。但是，MOSFET在實現一個較高的擊穿電壓時，其導通壓降大，載流密度小，因而就誕生了絕緣柵雙極型晶體管IGBT，它消除了現有功率MOSFET的這些主要缺點。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度進行了改進，但是在高電平時，功率導通損耗仍然要比IGBT高出很多。IGBT，由于它比MOSFET多一個PN結，本質

18、上是個雙極型晶體管。而這個附加的PN結注入的少子改善了通態特性，使得IGBT既具有MOSFET的工作速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單、熱溫度性好的優點，又包含了GTR的載流量大，阻斷電壓高等多項優點，從而極大的擴展了半導體器件的功率應用領域，開辟了電力電子技術向高壓高頻化的現實道路。IGBT既具有MOSFET的高速度開關及電壓驅動特性，又具有雙極型晶體管的低飽和電壓特性及易實現較大電流的能力，凝聚了高電壓大電流晶閘管制造技術和大規模集成電路微細加工技術的精華，表現出良好的綜合性能，其在大功率領域中的生命力令許多人難以置信。因此研究絕緣柵雙極型晶體管IGBT的結構，基本特性，性能參數等問題，對提

19、高IGBT器件性能，優化器件結構，新器件的研發具有一定的現實意義。IGBT的發展1957 年，美國通用電氣（GE）公司研制了第一只工業用普通晶閘管，標志著電力電子技術開始進入由電力電子器件（晶閘管）構成的電能變換和控制的變流器時代，標志著現代電力電子技術的誕生，以功率器件為核心的電力電子變換裝置被用于現代工業的各個領域。晶閘管誕生以后，電子技術開始向兩個不同的方向發展：一是以晶體管集成電路為核心的微電子技術，其發展方向為愈來愈高的集成度、越來越小的器件、越來越快的速度、越來越大的規模、越來越全的功能、越來越高的可靠性以及越來越低的成本，這一方向以微處理器為代表；另一個發展方向則是以晶閘管為核心

20、的電力電子技術，其發展方向為越來越高的耐壓及電流容量、越來越快的開關速度、越來越高的可靠性以及越來越低的成本。前者以能夠快速處理大批量數據為主要特征，而后者則主要應用于電力的傳輸、變換及配送，機車牽引、智能控制及工業節能等方面。20 世紀 70 年代，隨著技術的發展，產生了大功率晶體管（GTRGiant Transistor）GTR有著很多優點，包括組成電路靈活成熟、開關時損耗小時間短、容量大，以及導通壓降低等，它的出現迅速被廣泛應用于中等容量和中等頻率電路。然而在高頻的工作環境中，也存在一些缺點:第一，開關頻率較低，在硬開關環境中，GTR的最高開關頻率約為5kHz，嚴重限制了其應用范圍;第二

21、，輸入阻抗低，作為一種電流控制器件，電流放大倍數很低，在大容量的工作情況下，基極電流很大，產生了較大的損耗，而且使得驅動電路的體積變大，設計困難。20世紀80年代以后，又產生了功率場效應晶體管(Power MOSFET)它是一種全控型功率器件，它克服了GTR的一些弱點，如：開關速度快、工作頻率高、輸入阻抗高、平均驅動功率很小，并且它的驅動電路的設計也要相對簡單化。但是它也存在著一些缺點:第一，導通壓降較高，其主要是因為通態下基區并沒有電導調制效應，通態電阻不會變低，并且在相同的耐壓等級下，導通壓降會有所升高高，且損耗會增加;第二，由于開關的頻率增加，使得器件面積的利用率和電流密度都有所下降，開

22、關容量也相對較低。IGBT作為現代中小功率電力電子設備的主導器件，發揮著不可替代的作用。20世紀80年代出現了第三代符合型場控半導體器件IGBT。1986年投入應用并迅速占領市場。它結合了上述兩種器件的優點，即輸入阻抗較大、驅動功率較小，且開關損耗低、工作頻率高。工藝技術上， IGBT 利用 MOS 集成電路工藝進行大面積的功率集成，設計上表現為單元胞尺寸的縮小，并聯集成的元胞數量越多，通態壓降（導通損耗）逐漸減小。IGBT一經問世就獲得了人們的認可，有著非常巨大的發展空間2。IGBT的基本結構及其工作原理IGBT的基本結構IGBT的是雙極晶體管（BJT）的和MOSFET復合器件，IGBT將B

23、JT的電導調制效應引入到VDMOS的高祖漂流區，這大大提高設備的導通特性，但它還同時巨涌MOSFET的柵極高輸入阻抗的優點。IGBT的應用范圍，基本上可以取代傳統的功率晶體管。IGBT本質上是一個場效應晶體管，其結構與VDMOSFET相似，只是在VDMOSFET的漏極和襯底之間額外加了一個P型層。圖1-1 IGBT結構圖如圖1-1所示給出了一種由N溝道VDMOSFET與電力晶體管GTR組合而成的N溝道IGBT基本結構。N+區稱為源區，附于其上的電極稱為源極。P+區稱為漏區。器件的控制區為柵區，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P型區（包括P+和P-區）（溝道在該區域

24、形成），稱為亞溝道區（Sub channel region）。而在漏區另一側的P+區稱為漏注入區（Drain injector），它是IGBT 特有的功能區，與漏區和亞溝道區一起形成PNP雙極晶體管，起發射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調制，以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。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，切斷基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N-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-

25、層的空穴，對N-層進行電導調制，減小N-層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態電壓。IGBT的開通和關斷是由門極電壓控制的，當門極加正向電壓時，門極下方的P區中形成電子載流子到點溝道，電子載流子由發射極的N+區通過導電溝道注入N-區，即為IGBT內部的PNP型晶體管提供基極電流，從而使IGBT導通。此時，為維持N-區的電平衡，P+區像N-區注入空穴載流子，并保持N-區具有較高的載流子濃度，即對N-區進行電導調制，減小導通電阻，使得IGBT也具有較低的通態壓降。若門極上加負電壓時，MOSFET內的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT就關斷34。 IGBT的工作原理圖1-2

26、為IGBT的常用電氣符號。IGBT的等效電路如圖1-3所示，可以看出這是用雙極型晶體管與MOSFET組成的達林頓結構，相當于一個由MOSFET驅動的厚基區PNP型晶體管5。因此IGBT得驅動原理與VDMOSFET基本相同，是一種場控器件，其開通和關斷由門射極電壓U決定，即當UGE大于開啟電壓UT時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流，使IGBT導通。由于緩沖區與注入區的電導調制效應，使IGBT的通態壓降比MOSFET更小。當門射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。當UGE為負時，緩沖區與注入區PN結處于反向偏置，類似于反偏二

27、極管，器件呈反向阻斷狀態。IGBT具有反向阻斷能力。如果IGBT柵極與發射極之間的電壓UGE，即驅動電壓過低,則IGBT不能穩定工作；如果過高且高于柵極、發射極之間的耐受電壓，則IGBT可能永久性損壞；如果UGE超過集電極、發射極之間的耐受電壓,流過IGBT集電極、發射極的電流超過集電極、發射極的最大允許電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞6。 圖1-2常用IGBT的電氣符號 圖1-3 IGBT的等效電路 IGBT的主要工作特性及主要參數在通態中，IGBT可以按照MOSFET驅動的PNP晶體管建模。假如陰極陽極之間的壓降不超過0.7V，即使柵信號讓MOSFET溝道

28、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晶體管和一個功率MOSFET，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的溫度系數是負的，而雙極的溫度系數則是正的，描述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，這個問題就十分重要，而且只能按照對應某一電流率的VCE(sat)選擇一個并聯設備來解決問題。有時候用一個NPT-IGBT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型器件相比，使用NPT型會造成壓降增加。IGBT

29、的工作特性包括靜態特性和動態特性7。靜態特性IGBT的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和擊穿特性。圖1-4 集電極極電流與柵極電壓之間的關系IGBT 的伏安特性又叫做輸出特性89，它描述的是以柵源電壓Ugs 為參變量時，集電極極電流與柵極電壓之間的關系，曲線如圖1-4。它與GTR 的輸出特性相似，不同處在于它們的控制參數，IGBT是門射極電壓UGE控制，而GTR是基極電流IB控制。IGBT的伏安特性也可分為正向阻斷區、飽和區 、放大區和擊穿區四部分。而且IC隨著UGE的增大而增大。當集射電壓UGE0時，IGBT為反向阻斷區10。圖1-5 轉移特性曲線IGBT 的轉移特性描述的是門射電壓UGE與

30、集電極電流IC之間的關系曲線，如圖1-5，也可認為是門極電壓對集電極電流的控制能力。它與MOSFET 的轉移特性相同。當門射電壓UGE小于開啟電壓UT時，IGBT 處于關斷狀態。加在門射極間的最高電壓由流過集電極的最大電流所限定，一般設計電壓的最高值可取到15V左右。門射極之間電壓UGE不能超過+20V否則有可能擊穿門急絕緣層造成幾件損壞。 IGBT有J1和J2兩個背靠背的PN結，具有正、反向阻斷特性和整流特性。當IGBT的柵極-發射極并接零點位、集電極接正電位時，IGBT處于截止狀態。這時器件的J2結反偏，而J1結正偏。由于J2結兩邊的摻雜在外延層一邊是均勻的，而在p阱的一邊為離子注入形成的

31、高斯分布，而且摻雜濃度比外延層高，所以，據PN結理論，隨著IGBT集電極-發射極電壓的增大，J2結耗盡區（空間電荷區）主要向外延層一邊擴展。J2結空間電荷區擴展的結果將是相鄰p阱的空間電荷區相連，這時，J2承受了幾乎全部的集電極-發射極電壓。當與集電極-發射極電壓對應的空間電荷區電場進一步增大時，在空間電荷區內將發生載流子的碰撞電離和雪崩倍增效應。當集電極-發射極電壓增大到IGBT的雪崩擊穿電壓時，IGBT進入雪崩擊穿狀態，通常這一擊穿稱為器件的正向擊穿，反之，如果，集電極接零電位，柵極-發射極短路接高電位，這時由于器件的J1結反偏，器件是不導通的，此狀態稱為反向截止狀態，J1結對應的最高擊穿

32、電壓稱為器件的反向擊穿電壓。一般，在直流或電壓源逆變器應用中，并不需要IGBT的反向阻斷特性，這使得人們在實際中著重對器件正向擊穿電壓的設計和優化11。動態特性IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的。從驅動電壓UGE的前沿上升至其幅值的10%的時刻，到集電極電流上升至其幅值10%的時刻，這段時間成為開通延遲時間td(on)。而集電極電流從10%上升至90%的這段時間為電流上升時間tr。開通時間ton即為td(on)與tr之和。 （1-1） （1-2）式中 RG 柵極電阻；CGE 柵極-發射極電容；CGC 柵極-集電極電容；pnp PNP晶體管基區寬度；Dp 空穴擴散系數。

33、由此得到，從最初的加柵極-發射極正電壓到IGBT集電極電流上升所經歷的總的延遲時間ton是兩個延遲時間之和，即 （1-3）在td(on)之后，集電極電流隨著過剩載流子背注入到n基區而迅速上升。IGBT的導通時間很短，損耗很低。在柵極回路的串聯電阻小、MOS結構的跨導大、延遲時間短的情況下，這一點尤其正確。集射電極的下降時間分為tfv1和tfv2兩部分：tfv1為IGBT中的MOSFET單獨工作時的曲線；tfv2為MOSFET何PNP型晶體管同時工作時的電壓下降時間。因此，只有在tfv2段結束時,IGBT才完全進入飽和階段。圖1-6動態特性與導通過程相比，IGBT的關斷過程尤其重要，因為器件的損

34、耗很大一部分來自于關斷損耗。在器件導通時，基區中存有大量可動的過剩載流子電荷，這是空穴從p+發射區注入的結果。正是這種注入形成了n-基區的電導率調制。同時，作為總通態電流的一部分，流經MOS溝道的電流受控于柵極電荷，要想使這一電流中斷，就必須通過翻轉柵極電壓來使柵電容放電。一旦VGE下降到VGE(th)以下，MOS溝道就會關斷。從驅動電壓UGE的脈沖后沿下降到其幅值的90%的時刻起，到集電極電流下降至90%止，這段時間成為關斷延遲時間td(off)，集電極電流從其幅值的90%下降至10%的這段時間成為電流下降時間。以上二者之和即為關斷時間toff。電流下降時間可分為tfi1和tfi2。tfi1

35、即IGBT內部的MOSFET關斷過程，這段時間集電極電流下降較快；tfi2則是IGBT內部的PNP的關斷過程，這段時間內集電極電流下降較緩慢。從VGH下降到VGE(th)需要用去由式(1-4)給出的ts時間。 （1-4）式中 VGH 器件導通時柵極-發射極電壓； IDM承載電流； gfs器件跨導。隨后集電極-發射極電壓VCE就會按照式(1-5)所描述的規律變化。 （1-5）式中 Von 器件通態壓降。與此同時，MOS溝道中的電流突然降低，其降低量為IC。 （1-6）溝道關閉后，J1結被反偏，存儲于PNP晶體管基區中的過剩載流子被不斷擴展的空間電荷區掃出。與一只雙極晶體管不同，這里沒有負向的基極

36、電流將積累于基區的過剩載流子運走。因此，與基區厚度和厚度載流子壽命都相近的雙極晶體管相比，必須由更多的電荷要通過集電結抽走。由式(1-7)可知集電極電流的變化規律。這個電流稱為IGBT的拖尾電流，其時間常數eff取決與載流子壽命和n-基區寬度。 （1-7）由 PNP 晶體管的集電結電壓變化率所引起的位移電流將附加到由載流子所引起的電流上去。典型的關斷電流波形如圖 1-7所示。 圖1-7 典型的關斷曲線顯然，限制 IGBT 關斷時間最大的因素是基區中少子的壽命。減小基區少子壽命，可以提高器件關斷速度。但是，同時也減弱了器件的電導調制，使正向飽和壓降增大。所以器件設計時，需要在正向飽和壓降和關斷速

37、度之間進行折衷處理12-14。主要參數1電壓參數柵一射極短路時的最大集一射直流電壓VCES柵極開路時一允許的最大集一射直流電壓VCEo集一射極飽和電壓VCES(sat)，IGBT飽和導通時通過額定電流時的集一射電壓。柵一射極最高電壓VGES，集一射極短路時的最大柵一射極電壓。柵極開啟電壓VGE (th)，在規定的集電極電流和集一射電壓條件下的柵一射級電壓，通常指能使IGBT導通的最小電壓。絕緣電壓Viso，指外殼與管芯絕緣的IGBT模塊，三個極完全短路的情況下，三個電極與冷卻體接觸面間能容許的正弦波最高絕緣電壓，一般指交流有效值。集一射極反向電壓VCES，集成有續流二極管的IGBT，在二極管處

38、于導通狀態時，在極間測得的二極管正向壓降。2電流參數集電極額定電流ICN，在額定測試溫度下，所允許的集電極最大直流電流。實際上，一般應選用實際使用的平均電流Ic=(1/21/3)IN集電極的反向電流I。，當 IGBT內部集成有續流二極管時，額定測試溫度下，所允許的集電極最大直流電流。集電極脈沖峰值電流ICP，在一定脈沖寬度工作時，IGBT的集電極允許的最大脈沖峰值電流。集一射極短路時的柵極漏電流IGES，在柵一射短路條件下，在柵一射極加額定電壓時的柵極漏電流。柵一射短路時的集一射極漏電流ICES，將柵一射短路，在集一射極間加額定電壓時的集電極漏電流15。3最大功耗PT在殼溫為254時間參數IG

39、BT的時間參數有開通時間、關斷時間、上升時間和下降時間。5最高工作頻率fMAXIGBT的最高工作頻率是指對應開通時間和關斷時間及額定工作電流且IGBT結溫不超過允許值所能使用的最高開關頻率。6結溫指IGBT工作時不導致損壞所允許的最高結溫16。緩沖吸收電路緩沖吸收電路概述及種類概述在IGBT關斷的情況下，由于主回路的電流瞬間降低，在主回路的等效電感的影響下會引起開關的浪涌電壓，如果電壓值超過IGBT的反偏安全工作區域，就會造成IGBT的損壞。有效抑制浪涌電壓的措施是采用緩沖電路，它可以在電壓、電流、頻率的不斷增加的情況下，對IGBT起到保護的作用，所以緩沖電路的作用就十分明顯。緩沖電路也稱為吸

40、收電路，它是大功率變流技術中必不可少的組成部分，充分利用了IGBT的功率極限。它除了可以用來控制IGBT等功率器件的關斷浪涌電壓和續流二管恢復浪涌電壓外，還可以避免動態擎住、保證IGBT的安全工作、減少開關損耗的重要措施。應該指出，緩沖電路之所以可以減小功率器件的開關損耗，是因為將開關損耗從器件本身轉移至緩沖器上，目的是使功率器件損耗減少，保證安全工作，但總的開關損耗并未減少。緩沖電路的種類緩沖電路可分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路。關斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路，用于吸收器件的關斷過電壓和換向過電壓，抑制du/dt，減小器件關斷損耗。開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路，用于抑制器件開通

41、時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。可將關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起，稱為復合緩沖電路。圖2-1 抑制電路電路圖IGBT的關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型和RCD吸收兩種，如圖2-2。RC吸收電路因電容C的充電電流在電阻R上產生壓降，還會造成過沖電壓。RCD電路因用二極管旁路上的充電電流，從而克服了過沖電壓。 （a）RC型 （b）RCD型圖2-2充放電型IGBT模塊緩沖電路IGBT緩沖電路的選取及參數計算緩沖電路的選取及參數計算IGBT緩沖電路和傳統GTR緩沖電路特點不同，主要表現在:IGBT的安全工作區范圍較大，緩沖電路不需要保護抑制那種伴生達林頓

42、GTR的二次擊穿超限，只需控制瞬態電壓。一般應用中，IGBT的工作頻率比達林頓GTR的工作頻率要高得多，在每次開關過程中緩沖電路都要通過IGBT或自身放電，造成總的開關損耗較大。設計IGBT緩沖電路應考慮的因素主要有:功率電路的布局結構、功率等級、工作頻率和成本。圖2-3所示為3種通用的IGBT緩沖電路。圖2-3-a所示緩沖電路由一個無感電容并在IGBT模塊的Cl和E2之間。這種緩沖電路適用于小功率等級，對抑制瞬變電壓非常有效且成本較低。隨著功率級別的增大，這種緩沖電路可能會與直流母線寄生電感產生振蕩。緩沖電路圖2-3-b可以避免這種情況，該緩沖電路中的快恢復二極管可箝位瞬變電壓，從而抑制諧振

43、的發生。這種緩沖電路的RC時間常數應設為電路開關周期的1/3左右，即:rT/3=1/(3f)。但是，在功率等級進一步增大的情況下，圖2-3-b型緩沖電路的回路寄生電感則變得很大，以至于不能有效地控制瞬變電壓。這種大電流電路可采用緩沖電路圖2-3-c，該型緩沖電路既可有效地抑制振蕩而且還具有回路寄生電感較小的優點，缺點是成本較高。在超大功率電路中，為了減小緩沖電路中二極管的應力，可以采取圖2-3-a和2-3-c型緩沖電路同時使用的方法17。 （a） （b） (c)圖2-3三種放電阻止型吸收電路圖2-4所示為圖2-3-c型緩沖電路的典型關斷電壓波形。圖中起始電壓的尖峰(Vl)是由緩沖電路的寄生電感

44、和緩沖二極管的正向恢復聯合引起的。如果緩沖二極管采用與IGBT匹配的快恢復二極管，則該電壓尖峰主要取決于緩沖電感Ls，在此情況下，可估算出Vl，為Vl =Lsdi/dt (2-1)式中Ls緩沖電路的等效寄生電感di/dt關斷瞬間或二極管恢復瞬間的di/dt在典型的IGBT功率電路中，最嚴重情況下的di/dt接近0.02Ic/ns。如果Vl的限值已確定，則可用di/dt值來估算緩沖電路允許的最大電感量。例如:設一個IGBT功率電路的工作峰值電流為400A，Vl限定為100V，則最差情況下的di/dt約為di/dt=0.02400=8A/ns 用(1)式解得:Ls=Vl/di/dt=1008=12

45、.5nH通過上面計算我們可以得知大功率IGBT電路必須有極低電感量的緩沖電路，否則將不能很好地抑制瞬變電壓。在設計緩沖電路時，應考慮到緩沖二極管內部和緩沖電容引線的寄生電感。利用小二極管和小電容并聯比用單只二極管和單只電容的等效寄生電感小，并盡量采用低感或無感電容。另外，緩沖電路的設計應盡可能近地聯接在IGBT模塊上。以上措施有助于減小緩沖電路的寄生電感。 圖3-3所示的關斷初始浪涌電壓之后，隨著緩沖電容的充電，瞬態電壓再次上升，第二次上升峰值電壓V2是緩沖電容和直流母線寄生電感的函數。可以用能量守恒定律來確定V2。 1/2Lpi2=1/2CV2 （2-3）(2-3)式中Lp母線寄生電感i工作

46、電流C緩沖電容值V2緩沖電壓峰值如果已確定V2的限定值，則對給定的功率電路可用式(2-3)確定緩沖電容的數值C= Lpi2 /V22 圖2-4 采用緩沖電路的典型關斷電壓波形實際的功率電路設計中可采用以下措施來減小所需電容值:采用平板式匯流母線，正負極疊在一起，中間用絕緣板隔開，以獲得最小母線寄生電感；因為C值與關斷電流的平方成正比，所以采取必要的限流技術來限制功率電路的最大電流；(3)因為C值反比于V2的平方，所以若允許V2與IGBT的VCES之間有一定的裕度則可使緩沖電容值明顯減小18。緩沖電路的工作特性分析與其應用中的問題及改進措施尖峰電壓的產生1. 關斷尖峰電壓IGBT的關斷尖峰電壓是

47、由于通過IGBT的電流，斷而產生的瞬態高電壓。為了更好地解釋這一現象，示的感性負載半橋電路的關斷過程來說明。在IGBT關斷時被中我們采用圖2-5所示的感性負載半橋電路的關斷過程來說明。圖2-5具有感抗的半橋電路假定上橋臂Q1截至，下橋臂Q2處于開通狀態。若主回路為理想電路且不存在寄生電感，當下橋臂Q2由導通變為截至時，由于感性負載電流不能突變，將通過上橋續流二極管D1續流，以構成電流回路。此時下橋臂電壓VC2E2將上升，直到它的值達到比母線電壓Vcc高出一個二極管的壓降值，才能使上橋臂Q1，的續流二極管D1導通以防止電壓進一步增加。但在實際的功率電路中存在寄生電感，如圖2-5中的等效寄生電感L

48、P。當下橋截至時，電感LP阻止負載電流向上橋IGBT的續流二極管切換。在該電感兩端產生阻止母線電流增加的電壓VP (VP=LPdi/dt)，它與電源電壓相迭加并以尖峰電壓的形式加在下橋IGBT的兩端。在極端情況下，該尖峰電壓會超過IGBT的VCES額定值，并能使IGBT損壞。在實際應用中，寄生電感LP分布于整個功率電路中，但其效果是等同的19。2. 續流二極管恢復時的尖峰電壓當續流二極管恢復時會產生與關斷時相似的尖峰電壓。在圖2-4中，假定下橋臂Q2關斷，并且負載電流IL通過上臂IGBT的續流二極管D1構成環路。此時，若Q2導通，隨著負載電流通過Q2，流過續流二極管D1中的電流IFWD將逐漸下

49、降，并且在續流二極管反向恢復期間變為負值。當續流二極管D1恢復阻斷，主回路電流會迅速下降為零，這種情況類似于上面所描述的關斷情況。主回路中的寄生電感LP產生了一個尖峰電壓VQ1(PK)其值與LP和電流減少變化率di/dt成正比，而di/dt與續流二極管D1的恢復特性有關。有些快恢復二極管在Q2快速開通時被“硬恢復”，可以產生特別高的反向恢復di/dt。這種情況通常被稱為“折斷式”恢復，可導致很高的瞬態電壓。 緩沖電路的工作過程分析在圖2-3所示的三種緩沖電路中，a型緩沖電路結構簡單，b型和c型電路使用較為廣泛，二者的工作原理基本相同，因此本文以B型緩沖電路為例進行分析。使用b型緩沖電路的IGB

50、T單相逆變橋等效電路如圖2-6所示。緩沖電路的工作過程可簡單分析如下:當開關管Q截至時，原來流過回路寄生電感Lp的電流通過Cs、Ds旁路，從而將Lp上的儲能轉移到Cs，避免在器件關斷時，由于電流突變在器件兩端產生很高的電壓尖峰，因而大大降低了在開關管截至瞬間在其兩端所產生的過電壓;當開關管Q導通時，Cs的儲能通過開關管Q、緩沖電阻Rs釋放，從而使其兩端的電壓下降到母線電源電壓Vd，為下一次的緩沖吸收做好準備20。圖 2-6 等效電路緩沖電路在應用中的問題及改進措施1.在以IGBT為主開關器件的逆變電路應用中，存在以下幾個問題:（1）IGBT開通時的di/dt和關斷時的du/dt均不能超過限定值

51、，否則會燒壞管芯或使其誤導通;（2）IGBT開通或關斷時，因為回路分布電感和變壓器漏感的作用，在開關管兩端或在與之同處一橋臂上的另一只開關管兩端會產生電壓尖峰，若不采取措施，這個電壓尖峰疊加原來的電源電壓會超過管子的安全工作區而使管子損壞。緩沖電路的作用就是針對上述情況進行限制，以保護IGBT安全工作。2.緩沖電路的主要要求：（1）盡量減小主電路的布線電感。（2）吸收電容應采用低感吸收電容，它的引線應盡量短，最好直接接在IGBT的端子上。（3）吸收二極管應選用快開通和恢復二極管，以避免在開通時產生的開通過電壓和反向恢復引起較大的振蕩過電壓。3.抑制過電壓的措施：選擇性能好的IGBT模塊，這類模

52、塊內部寄生電感一般較小。優化主電路結構，減少電路中的寄生電感。對開關電源類裝置來說，電路布線是造成寄生電感的主要原因。減少寄生電感的的主要方法是縮小整個電路的有效回路面積，而最有效的方法是采用分層布線結構。這些方法會大大減小線路儲能，如果開關速度已給定，會使過電壓明顯降低。另外把一些阻抗較低且感抗較低的退耦電容加在整個電路上會使線路電感進一步減小。分時串聯門級電阻，減小尖峰過電壓。通常增加門級串聯電阻可以使開關速度減慢，抑制du/dt，雖然減小了過電壓，但是卻大大增加了IGBT的功率損耗。為了達到既減小過電壓，又可以達到不能大量增加開關損耗的目的，可以把不同的門極電阻串聯在不同的開關時段。其具

53、體操作為：a.在開通條驅動回路中，串聯較小的門極電阻；b.在關斷驅動過程中，在器件的UCE達到主電路電壓之前，使器件通過很小的門極盡可能快的釋放門極電荷，然后，將路徑切換到另一個高阻抗的通路21。IGBT的串并聯技術串聯均壓的研究IGBT憑借著通工作速度快、態壓降低、驅動電路簡單等優點，得以迅速發展，并且在中頻和開關電源、電機控制等要求工作狀態損耗低、速度快的領域中得以廣泛應用。盡管IGBT器件自身的電壓等級和電流容量在不斷地提高，但是在一些大容量高電壓的應用場合中，如果單只IGBT器件的耐壓值還不能很好的滿足工作需求，這時就需要需要把IGBT模塊串聯起來，有的甚至將逆變器或整流器進行串聯，以

54、構成耐受電壓更高的變流裝置22-24。但是在IGBT等半導體開關器件的串聯應用中，由于每個器件的靜態伏安特性及動態參數的有所不同，會引起各器件間的電壓分配不均勻進而產生過電壓失衡現象，造成IGBT器件的損壞，有的甚至是高壓設備的損壞。所以在IGBT模塊串聯使用時必須采取有效的靜態、動態均壓措施。只有在串聯IGBT模塊具有理想的靜態、動態均壓狀態時，才能最大程度地利用其耐壓值并發揮其優勢。IGBT串聯運行存在問題IGBT串聯需解決的問題在于如何確保各串聯器件的動、靜態電壓均衡，尤其是動態電壓均衡，以防止器件因過電壓壓而損壞。串聯器件動、靜態電壓不均衡的主要原因有251、IGBT 漏電流的不一致（

55、靜態均壓）IGBT關斷后，串聯器件中流過的漏電流是相同的，因此不同的關斷阻抗會造成IGBT的靜態電壓不均衡，器件的結溫同樣會影響靜態均壓。通常采用均壓電阻來減少端電壓的不均衡，但要注意在均壓效果和均壓電阻損耗上達到良好的平衡效果。驅動信號的不一致和驅動電路參數的差異驅動信號的不一致和驅動電路參數的差異，將導致IGBT柵極驅動信號的延遲，從而極大地影響了IGBT集電極-發射極電壓的均衡。關斷時，先關斷的器件會產生很高的過電壓，同理，開通時滯后導通的器件也會承受較高過電壓。電壓不平衡率與柵極驅動信號延遲時間的關系如圖3-1所示，可見100ns的延遲就會產生60的電壓不平衡率，這足以導致串聯器件的損

56、壞26。圖3-1 電壓不平衡與驅動延遲的關系3、IGBT 本身寄生參數的離散性器件寄生電感、寄生電容等特性不一致(尤其是寄生電容)，會導致不同的開關特性和電壓尖峰，串聯IGBT在關斷過程中，關斷速度較快的器件要承受很高的過電壓，開通過程中導通較慢的器件也會承受較高過電壓。4、反向二極管恢復特性的差異在感性負載情況下，IGBT的開通與電感續流二極管之間存在一個換流過程，由于二極管的反向恢復問題，在IGBT開通瞬間，會在續流二極管兩端產生過電壓。在橋式電路中IGBT通常與二極管并聯，二極管兩端的過電壓即IGBT的過電壓。影響串聯運行的因素如果只把兩只IGBT簡單的串聯，則在串聯IGBT的關斷和開通

57、的瞬間，兩只IGBT上的電壓分配以及du/ dt將會有所不同。如圖3-2所示，該圖為兩只IGBT串聯工作狀態下在關斷瞬間一只IGBT的端電壓得波形圖。從圖中可以看出，兩只IGBT在關斷瞬間的端電壓有著很大的差異，其中一只IGBT將承受較高的尖峰電壓，如果尖峰電壓超過其額定電壓值將損壞該只IGBT。產生這種電壓分配不均衡的主要因素有以下幾個方面27-29:串聯模塊的漏電流不一致;串聯模塊的開關特性不一致;串聯模塊回路雜散電感不一致;串聯模塊驅動電路的延遲特性不一致。下面將著重從靜態和動態兩個方面進行分析和討論。圖3-2 IGBT串聯工作時一只IGBT端電壓波形圖靜態因素IGBT器件一般有四種工作

58、狀態，即阻斷狀態(穩定斷態)、開通瞬態、導通狀態(穩定通態)、關斷瞬態。其中阻斷狀態和導通狀態是靜態過程，開通瞬態和關斷瞬態是動態過程。在串聯IGBT模塊處于導通狀態時，只要流過串聯支路的電流不超過IGBT模塊集電極電流的額定值，串聯IGBT模塊就可以安全運行，因此本文將著重討論阻斷狀態。在IGBT模塊處于阻斷狀態時，串聯模塊的電壓分配主要取決于IGBT模塊的阻斷特性和輸出特性。阻值比較低的IGBT模塊或者說關斷漏電流比較大的IGBT模塊，在阻斷狀態時承受比較小的電壓。反之，較高阻值的模塊將承受較大的電壓。圖3-3給出了同一型號的兩只IGBT模塊串聯時的伏安特性曲線。從圖中可以看出，IGBT-

59、1和IGBT-2在流過同一集電極電流I0時承受的端電壓分別為V2和V1，兩者數值相差比較大，電壓分配很不均衡，這將導致IGBT-2還未發揮其耐壓能力，而IGBT-1卻己接近轉折電壓并有可能超出其安全工作區而損壞。圖3-3 同一型號兩只LGBT串聯的伏安特性曲線另外，IGBT的靜態特性受溫度的影響也比較顯著，這將使同一IGBT在不同結溫下運行時，它的集電極電流將發生變化，導致伏安特性也發生相應的變化，從而影響了串聯運行IGBT靜態電壓的分配。因此，為了使串聯IGBT模塊承受均衡的電壓，必須采取靜態均壓措施30。動態因素IGBT伏安特性的差異會使串聯IGBT工作在阻斷狀態時產生靜態電壓不均衡現象。

60、然而，在GIBT的開通瞬間和關斷瞬間，由于IGBT的柵極電荷和輸出電容的不同，則會造成IGBT串聯運行的動態電壓不均衡。柵極電荷和輸出電容不同，IGBT的關斷速度就不同。柵極電荷少、則IGBT容易關斷且關斷時間比較短，反之亦然。因此，若兩只IGBT串電荷的差異則會造成串聯IGBT不能同時關斷的現象，最先關斷的IGBT輸出電容小，聯運行，柵極必然承受最高的動態電壓，這將引起動態電壓不均衡問題。IGBT開通時，延遲時間不同，IGBT的開通速度也就不同。延遲時間短則開通速度快，反之亦然。因此，若IGBT串聯運行，開通時間的長短則會造成它們不能同時開通的現象，后開通的IGBT將承受最高的動態電壓，這也