IGBT工作原理及應用

1、IGBT工作原理及應用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的保護引言絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管，因止匕可以把其看作是MOS輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點，既具有MOSFET器件驅動簡單和快速的優(yōu)點，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點，因而,在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。在中大功率的開關電源裝置中，IGBT由于其控制驅動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統(tǒng)的前級，由

2、于受電網波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大，故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)。1IGBT的工作原理IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若嗎8丁的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定： IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓； 流過IGBT集電極一

3、發(fā)射極的電流； IGBT的結溫。如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅動電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極發(fā)射極的電流超過集電極-發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值,IGBT都可能會永久性損壞。2保護措施在進行電路設計時，應針對影響IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相應的保護措施。2.1IGBT柵極的保護IGBT的柵極發(fā)射極驅動電壓VGE的保證值為i20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓，則可能會損

4、壞IGBT,因此，在IGBT的驅動電路中應當設置柵壓限幅電路。另外，若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路，而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極-發(fā)射極有電流流過。這時若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時，可能會使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開，在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會損壞。為防止此類情況發(fā)生，應在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十kQ的電阻，此電阻應盡量靠近柵極與發(fā)射極。如圖2所示。由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體，特別是其柵

5、極為MOS結構，因此除了上述應有的保護之外，就像其他MOS結構器件一樣,IGBT對于靜電壓也是十分敏感的，故而對IGBT進行裝配焊接作業(yè)時也必須注意以下事項：在需要用手接觸IGBT前，應先將人體上的靜電放電后再進行操作,并盡量不要接觸模塊的驅動端子部分，必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉；在焊接彳業(yè)時，為了防止靜電可能損壞IGBT,焊機一定要可靠地接地。IGBT在不間斷電源的應用.2. 2集電極與發(fā)射極間的過壓保護過電壓的產生主要有兩種情況，一種是施加到IGBT集電極-發(fā)射極間的直流電壓過高，另一種為集電極一發(fā)射極上的浪涌電壓過高。2.1.1 直流過電壓直流過壓產生的原因是由于輸入

6、交流電源或IGBT的前一級輸入發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時,進行降額設計；另外，可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入，保證IGBT的安全。2.1.2 浪涌電壓的保護因為電路中分布電感的存在，加之IGBT的開關速度較高，當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時，就會產生很大的浪涌電壓Ldi/dt,威脅IGBT的安全。通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示。圖中：vCE為IGBT?電極一發(fā)射極間的電壓波形；ic為IGBT的集電極電流；Ud為輸入IGBT的直流電壓；VCESP=Ud+Ldic/dt,為浪涌電壓峰值。如果VCESP超出IGBT的集電極發(fā)射極間耐壓值VCES,就

7、可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：在選取IGBT時考慮設計裕量；在電路設計時調整IGBT驅動電路的Rg,使di/dt盡可能??；盡量將電解電容靠近IGBT安裝，以減小分布電感；根據(jù)情況加裝緩沖保護電路，旁路高頻浪涌電壓。由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用，在此將緩沖保護電路的類型和特點作一介紹。一C緩沖電路如圖4(a)所示,采用薄膜電容，靠近IGBT安裝,其特點是電路簡單，其缺點是由分布電感及緩沖電容構成LC諧振電路，易產生電壓振蕩，而且IGBT開通時集電極電流較大。RC緩沖電路如圖4(b)所示，其特點是適合于斬波電路，但在使用大容量IGBT時，必須使緩沖電阻值增大，否則，開通時集電極電流過大，使IGBT功能受到一定限制。RCD緩沖電路如圖4(c)所示，與RC緩沖電路相比其特點是，增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大，避開了開通時IGBT功能受阻的問題。該緩沖電路中緩沖電阻產生的損耗為P=LI2f+CUd2f式中：L為主電路中的分布電感；I為IGBT關斷時的集電極電流；f為IGBT的開關頻率；C為緩沖電容；Ud為直流電壓值。放電阻止型緩沖電路如圖4(d)所示，與RCD緩沖電路相比其特點是,產生的損耗小，適合于高頻開關。在該緩沖