IGBT技術(shù)資料_IGBT管性能和應用講座
功率場效應管MOSFET雖然有開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點;但是，較大的通態(tài)電阻使它的最大導通電流容量受到限制.
因此MOSFET只能用作中小功率開關(guān)元件。而GTR和GTO是雙極型元件，它們具有阻斷電壓高、導通電流大的優(yōu)點，但是，它們的開關(guān)速度慢，要求的驅(qū)動電流大.控制電路比較復雜。顯然，這些開關(guān)器件各有優(yōu)缺點。而其中MOSFET在GTR的不足之處表現(xiàn)得很優(yōu)秀，在GTR優(yōu)秀的地方卻表現(xiàn)得有些不足。于是人們開始研究一種能同時包含MOSFET和GTR的優(yōu)點的新型開關(guān)元件，這就是絕緣柵雙圾晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。
絕緣柵雙級晶體管是由MOSFET和GTR技術(shù)結(jié)合而成的復合型開關(guān)器件。圖2—24是N溝誼IGBT的等效電路和符號。從圖2—24
(a)中可以看出.它是 由一個N溝道的MOSFET和一個PNP型GTR組成，它實際是以GTR為主導元件，以MOSFET為驅(qū)動元件的復合管。圖2—24(b)的符號中，G代表柵極，C代表集電極，E代表發(fā)射極，P溝道的IGBT符號的箭頭方向與此相反。
絕緣柵雙極晶體管從1986年至今，發(fā)展得非常迅速、日前已經(jīng)被廣泛的應用于各種逆變器中，成為取代GTR的理想開關(guān)器件。
一.絕緣柵雙極晶體管的特性和參數(shù)
絕緣柵雙極晶體管的輸出特性類似于GTR的輸出特性，絕緣柵雙極晶體管的轉(zhuǎn)移特性類似于MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，這里不再敘述。
1.通態(tài)電壓降
圖2—25為高速IGBBT(50A/600 V)和高速MOSFET(50 A/500V)的通態(tài)電壓降比較。MOSFET的通態(tài)電壓降在全電流范圍內(nèi)為正溫度系數(shù)、而IGBT通態(tài)電壓降在小電流范圍內(nèi)為負溫度系數(shù)，在大電流范圍內(nèi)為正溫度系數(shù)。
2.關(guān)斷損耗
圖2—26是在感性負載時，高速IGBT與MOsFET的關(guān)斷損耗與集電極電流的關(guān)系。由圖可知*常溫下，IGBT的關(guān)斷損耗與MOSFET的大致相同。高溫時，MOSFET的關(guān)斷損耗基本不變，與溫度無關(guān)，而IGBT則不然，溫度每增加100℃，損耗增大約2倍。因此，IGBT的關(guān)斷損耗要大些。
3.開通損耗
在電動機的驅(qū)動電路系統(tǒng)中，要接人續(xù)流二極管，而續(xù)流二極管的反向恢復特性將影響IGBT的開通損耗，使用快速恢復二極管將降低IGBT的開通損耗。圖2—27是IGBT與MOSFET的開通損耗比較。
4.安全工作區(qū)
(1)擎住效應
IGBT為四層結(jié)構(gòu).這使其體內(nèi)存在一個寄生晶體管,其等效電路如圖2-28所示 同時，在這個寄生晶體管的基極與發(fā)射極之間并聯(lián)—個擴展電阻Rb 當IGBT的集電極與發(fā)射極之間有電流Ic流過時，在此電阻上將產(chǎn)生正向偏置電壓。不過.在規(guī)定的IGBT集電極電流Ic范圍內(nèi)，這個正向偏置電壓不大，對寄生晶體管不起作用。但當集電極電流Ic達到一定程度的時候.該正向偏置電壓足以使寄生晶體管導通，進而使V2和V3都處于飽和狀態(tài).柵極失去控制作用，這就是所謂擎住效應。IGBT發(fā)生擎住效應后，集電極電流Ic增大.造成過大
的功耗，導致器件損壞?？梢姡姌O電流有一個臨界值Icm，當Ic>Icm時.便會發(fā)生擎住效應。為此規(guī)定了集電極通態(tài)電流的最大佰Icm·以及相應的柵射極間電壓的最大值Vcem 超過此界限將發(fā)生擎住效應。
在IGBT關(guān)斷的動態(tài)過程中，如果dVce/dt過高，產(chǎn)生的位移電流流過擴展電阻Rhr時，也可以產(chǎn)生足以使寄生晶體管導通的正向偏置電壓，形成擎住效應。為了防止擎住現(xiàn)象的發(fā)生，使用時要保證IGBT的電流不要超過Icm值，同時，用增加柵極電阻Rg的方法來延長IGBT的關(guān)斷時間，以減小dVce/dt值。
值得指出的是，動態(tài)擎住所允許的集電極電流比靜態(tài)擎住所允許的要小，所以生產(chǎn)廠商所規(guī)定的Icm值是按動態(tài)擎住所允許的最大集電極電流來確定的。
2)安全工作區(qū)
安全工作區(qū)反映了—個開關(guān)器件同時承受一定電壓和電流的能力.IGBT導通時的正向偏置安全工作區(qū)，是由集電極電流的最大值Icm 集射極電壓的最大值Vcem和功耗3條邊界極限包圍而成的，如圖2—29(a)所示。
最大集電極電流Icm限制了動態(tài)擎住現(xiàn)象的發(fā)生;最大集射極電壓Vcem限制了IGBT被正向電壓擊穿，最大功耗則是由最高允許結(jié)溫所決定，導通時間越長，發(fā)熱越嚴重，安全工作區(qū)就越小，
圖2—29(b)是IGBT關(guān)斷時的反向偏置安全工作區(qū)。它隨IGBT關(guān)斷時的dVce/dt而改變，dVce/dt越高、安全工作區(qū)就越小。
表2—4列出了東芝和IXYS公司生產(chǎn)的某種IGBT產(chǎn)品的參數(shù)。
二 IGBT管的驅(qū)動要求
1.對柵極的驅(qū)動要求
IGBT的柵極驅(qū)動條件關(guān)系到他的靜態(tài)特性和動太特性,一切都圍繞著開關(guān)時
間、減小開關(guān)損耗、保證電路可靠的工作為目標。因此.對IGBT的柵極驅(qū)動電路提出如下
要求。
①IGBT與MOSFET都是電壓型驅(qū)動開關(guān)器件.部具有一個2.5—5v的開柵門檻電
壓，有—個電容性輸入阻抗，因此，IGBT對柵極電荷聚集非常敏感。所以，驅(qū)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(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。
②用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充、放電，以保證柵極控制電壓Vge有足夠陡的的前、后
沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT開通后.柵極驅(qū)動源應能提供足夠的功率，使
IGBT不會中途退出飽和而損壞。
③驅(qū)動電路要能提供高頻(幾十kHz)脈沖信號，來利用IGBT的高頻性能。
?、軚艠O驅(qū)動電壓必須要綜合考慮。在開通過程中，正向驅(qū)動電壓Vce越大，IGBT通態(tài)壓
降和開通損耗均下降，但負載短路時的電流Ic增大，IGBT能承受短路電流的時間減小，對其
安全不利。因此，在有短路過程的應用系統(tǒng)中，柵極驅(qū)動電壓應選得小些，一般情況下應取
12—15V。
在關(guān)斷過程中，為了盡快放掉輸入電容的電荷.加快關(guān)斷過程，減小關(guān)斷損耗，要對柵極施
加反向電壓一Vge。但它受IGBT柵射極最大反向耐壓的限制，所以一般的原則是：對小容量
的IG8T不加反向電壓也能工作;對中容量的IGBT加5—6v的反向電壓;對大容量的IGBT
要加大到10 V左右。
⑤在大電感的負載下，IGBT的開關(guān)時間不能太短，以限制di/dz所形成的尖峰電壓，確
保IGB了的安全。
?、抻捎贗GBT多用于高壓場合，所以驅(qū)動電路與控制電路一定要嚴格隔離.
?、邧艠O驅(qū)動電路應盡可能簡單可靠，具有IGBT的自保護功能，并有較強的抗干擾
能力。
?、鄸艠O電阻RG可選用IGBT產(chǎn)品說明書上給定的數(shù)值;但當IGBT的容量加大時，分布
電感產(chǎn)生的浪涌電壓與二極管恢復時的振蕩電壓增大，這將使柵極產(chǎn)生誤動作，因此必須選用
較大的電阻，盡管這樣做會增大損耗。
2.IGBT專用驅(qū)動集成電路
原則上IGBT的驅(qū)動特性與MOSFET的幾乎相同，但由于兩者使用的范圍不同，IG8T多用于大中功率，而MOSFET多用于中小功率，所以它們的驅(qū)動電路也有差異。IGBT一般使用專用集成驅(qū)動器，它們集驅(qū)動和保護為一體。常用的專用集成電路有：富士公司的EXB840、841、850、85l系列;IR公司的IR2l00系列;MOTOROLA公司的MC35158;Uni-trode公司的UC3714、3715;三菱公司的M57957——M57963系列。下面以富士公司的EXB840和三菱公司的M57962D為例，介紹IGBT的柵極驅(qū)動電路。
(1)EXB840組成的驅(qū)動電路
EXB840是一種高速驅(qū)動集成電路.最高使用頻率為40KHz.能驅(qū)動150A/600V或者75A/1200V的IGBT，驅(qū)動電路信號延遲小于1.5us。采用單電源20V供電。
EXB840的功能框圖如圖2—30所示。它主要由輸入隔離電路、驅(qū)功放大電路、過流檢測及保護電路以及電源電路組成。其中輸入隔離電路是由高速光電耦合器組成，可隔離交流2500V的信號。過流檢測及保護電路根據(jù)IGBT柵極驅(qū)動電平和集電極電壓之間的關(guān)系，檢測是否有過流現(xiàn)象存在。如果有過流，保護電路將慢速關(guān)斷IGBT，以防止過快地關(guān)斷時而引起因電路中電感產(chǎn)生的感應電動勢升高，使IGBT集電極電壓過高而損壞IGBT。電源電路將20V外部供電電源變成+15V的開柵電壓和-5V的關(guān)柵電壓。
EXB840的引腳定義如下：引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容;引腳2和引腳9分別是電源和地;引腳3為驅(qū)動輸出;引腳4用于連接外部電容器，以防止過流保護誤動作(一般場合不需要這個電容);引腳5為過流保護輸出;引腳6為IGBTT集電極電壓監(jiān)視端;引腳14和引腳15為驅(qū)動信號輸入端;其余引腳不用。
采用EXB840集成電路驅(qū)動IGBT的典型應用電路如圖2—3l所示。其ERA34—10是快速恢復二極管。IGBT的柵極驅(qū)動連線應該用雙絞線，其長度應小1m，以防止干擾。如果IGBT的集電極產(chǎn)生大的電壓脈沖.可增加IGBT的柵極電阻阻值RG。
(2)M57962L組成的驅(qū)動電路
M57962L與EXB840的原理非常相似。它的最高使用頻率為20kH z，能驅(qū)動400A/600V或者200A/1400V的IGBT。驅(qū)動電路信號延遲小于1.5us.采用+15V和-10V雙電源供電。
M57962L的工作原理團如圖2—32所示。與EXB840不同的是它的保護電路。IGBT能承受短路的時間小于l0us.因此短路保護應在l0us內(nèi)完成。M57962L采用了快速保護的措施。當它檢測到IGBT的柵極電壓和集電極電壓同時為高電平時，就認為負載短路存在，立即降低柵極驅(qū)動電壓，并從8腳輸出故障信號，這一過程用2.6us的時間。經(jīng)過1—2ms的延時后，如果保護電路輸入信號恢復低電平.則保護電路就自動復位到正常狀態(tài)。
M57962L的引腳定義如下：引腳l是保護電路對IGBT集電極檢測輸入端;引腳4和引腳6分別是+15v和-10v電源輸入端;引腳5是驅(qū)動輸出端;引腳8是故障狀態(tài)輸出端;引腳13和引腳14是驅(qū)動信號輸入端;其余引腳不用。
采用M57962L集成電路驅(qū)動IGBT的典型應用電路如圖2—33所示。其中D1是快速恢復二極管，要求恢復時間小于0.2us。對于驅(qū)動高壓的IGBT，Dl的恢復時間可能較長，則引腳1承受的電壓就高，因此在引腳l和引腳6之間加一只穩(wěn)壓管，進行嵌位保護。需要注意的是,在M57962L的電源接通和斷開的過程中，在電源穩(wěn)定之前，M57962L都會在引腳8輸出放隨信號。另外，M57962L的引腳2、3、7、9、10是測試引腳，使用時不要接線。
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