绝缘栅双极晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究
简述IGBT的主要特点和工作原理
简述IGBT的主要特点和工作原理一、简介IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor，是一种复合全控电压驱动功率半导体器件。
由BJT（双极晶体管）和IGFET（绝缘栅场效应晶体管）组成。
IGBT兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降的优点。
GTR 的饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流更大。
MOSFET的驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT结合了以上两种器件的优点，驱动功率小，饱和电压降低。
非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动等领域。
IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极晶体管）和FWD（续流二极管）通过特定的电路桥封装而成的模块化半导体产品。
封装后的IGBT模块直接应用于逆变器、UPS不间断电源等设备。
IGBT模块具有节能、安装维护方便、散热稳定等特点。
一般IGBT也指IGBT模块。
随着节能环保等理念的推进，此类产品将在市场上越来越普遍。
IGBT是能量转换和传输的核心器件，俗称电力电子器件的“CPU”，广泛应用于轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车、新能源设备等领域。
二、IGBT的结构下图显示了一种N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构。
N+区称为源极区，其上的电极称为源极（即发射极E）。
N基区称为漏区。
器件的控制区为栅极区，其上的电极称为栅极（即栅极G）。
沟道形成在栅区的边界处。
C 极和E 极之间的P 型区域称为子通道区域。
漏极区另一侧的P+ 区称为漏极注入器。
它是IGBT独有的功能区，与漏极区和子沟道区一起构成PNP双极晶体管。
它充当发射极，将空穴注入漏极，进行传导调制，并降低器件的通态电压。
《N沟道增强型绝缘栅双极晶体管》IGBT的开关作用是通过加正栅电压形成沟道，为PNP（原NPN）晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向栅压消除沟道，切断基极电流，就会关断IGBT。
电气传动实验报告模板(黑龙江科技大学)
【实践数据】αUd（V）测量Id（A）测量Ud（v）计算U2(V) Id（A）计算α=78°10 0.1 31.15 64 0.33α=60°66 0.65 70 60 0.76α=30°110 1.05 111.45 55 1.21 βUd(V)测量Id（A）测量Ud（v）计算U2(V)β=90°0 -0.45 0 121β=120°155 -0.25 146.25 125β=150°290 0 253.31 125【数据分析】所用公式：Ud=-2.34*U2*COSα；R=92Ω， Id=Ud/Rα=78° Ud=2.34*64*0.2079=31.15VId=Ud/R=0.33Aα=60° Ud=2.34*60*1/2=70V Id=Ud/R=0.76Aα=30° Ud=2.34*55*0.82=111.45V Id=Ud/R=1.21A【实践结果图】图15 α=30°幅值【三相桥式有源逆变电路】合上主电源。
调节Uct,观察ß=90°,120°,150°时，电路中Ud,Uvt的波形。
R=92Ω。
图19 β=90°时输出波形图此时U=0V I=-0.45A图20 β=120°时输出波形图此时U=155V I=-0.25A图21 β=150°时输出波形此时U=290V I=0A【小结】通过老师的讲解我们了解到，要实现有源逆变，必须满足以下两个要求：其一，要有直流电动势，其极性需和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。
其二，要求晶闸管的控制角a>Π/2，使Ud为负值。
我们做的三项有源逆变是由单相有源逆变转化而来的，逆变和整流的区别仅仅是控制角a的不同。
0<a<Π/2时，电路工作在整流状态，Π/2<a<Π时，电路工作在逆变状态。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作原理、基本特性、主要参数
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。
它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。
自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。
具有栅极G、集电极C和发射极E。
图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。
与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。
这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。
因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)基础与运用知识
IGBT基础与运用IGBT，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET（输入级）和PNP晶体管（输出级）复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点（控制和响应），又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点（功率级较为耐用），频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz 频率范围内。
理想等效电路与实际等效电路如图所示：IGBT 的静态特性一般用不到，暂时不用考虑，重点考虑动态特性（开关特性）。
动态特性的简易过程可从下面的表格和图形中获取：IGBT的开通过程IGBT 在开通过程中，分为几段时间1.与MOSFET类似的开通过程，也是分为三段的充电时间2.只是在漏源DS电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和过程中增加了一段延迟时间。
在上面的表格中，定义了了：开通时间Ton，上升时间Tr和Tr.i除了这两个时间以外，还有一个时间为开通延迟时间td.on:td.on=Ton-Tr.iIGBT在关断过程IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。
第一段是按照MOS管关断的特性的。
第二段是在MOSFET关断后，PNP晶体管上存储的电荷难以迅速释放，造成漏极电流较长的尾部时间。
在上面的表格中，定义了了：关断时间Toff，下降时间Tf和Tf.i除了表格中以外，还定义trv为DS端电压的上升时间和关断延迟时间td(off)。
漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而总的关断时间可以称为toff=td(off)+trv十t(f)，td(off)+trv之和又称为存储时间。
从下面图中可看出详细的栅极电流和栅极电压，CE电流和CE电压的关系：从另外一张图中细看MOS管与IGBT管栅极特性可能更有一个清楚的概念：开启过程关断过程尝试去计算IGBT的开启过程，主要是时间和门电阻的散热情况。
C.GE 栅极-发射极电容C.CE 集电极-发射极电容C.GC 门级-集电极电容（米勒电容）Cies = CGE + CGC 输入电容Cres = CGC 反向电容Coes = CGC + CCE 输出电容根据充电的详细过程，可以下图所示的过程进行分析对应的电流可简单用下图所示：第1阶段：栅级电流对电容CGE进行充电，栅射电压VGE上升到开启阈值电压VGE(th)。
IGBT的特点、应用及未来的研究方向
IGBT的特点、应⽤及未来的研究⽅向近年来，IGBT被⼴泛关注，随着技术的发展，其应⽤前景被⼴泛看好，作为国家战略性新兴产业IGBT，在很多领域应⽤⼴泛。
什么是IGBT？IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的⾼输⼊阻抗和GTR的低导通压降两⽅⾯的优点。
GTR饱和压降低，载流密度⼤，但驱动电流较⼤；MOSFET驱动功率很⼩，开关速度快，但导通压降⼤，载流密度⼩。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率⼩⽽饱和压降低。
⾮常适合应⽤于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT的原理IGBT是将强电流、⾼压应⽤和快速终端设备⽤垂直功率MOSFET的⾃然进化。
由于实现⼀个较⾼的击穿电压BVDSS需要⼀个源漏通道，⽽这个通道却具有很⾼的电阻率，因⽽造成功率MOSFET具有RDS(on)数值⾼的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新⼀代功率MOSFET 器件⼤幅度改进了RDS(on)特性，但是在⾼电平时，功率导通损耗仍然要⽐IGBT 技术⾼出很多。
较低的压降，转换成⼀个低VCE(sat)的能⼒，以及IGBT的结构，同⼀个标准双极器件相⽐，可⽀持更⾼电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
IGBT模块的特点与应⽤IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯⽚)与FWD(续流⼆极管芯⽚)通过特定的电路桥接封装⽽成的模块化半导体产品，封装后的IGBT模块直接应⽤于变频器、UPS不间断电源等设备上。
IGBT模块具有节能、安装维修⽅便、散热稳定等特点，当前市场上销售的多为此类模块化产品，⼀般所说的IGBT也指IGBT模块。
随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见。
绝缘栅双级晶体管IGBT
绝缘栅双极晶体管（IGBT）一、IGBT的工作原理电力MOSFET器件是单极型（N沟道MOSFET中仅电子导电、P沟道MOSFET中仅空穴导电）、电压控制型开关器件；因此其通、断驱动控制功率很小，开关速度快；但通态降压大，难于制成高压大电流开关器件。
电力三极晶体管是双极型（其中，电子、空穴两种多数载流子都参与导电）、电流控制型开关器件；因此其通-断控制驱动功率大，开关速度不够快；但通态压降低，可制成较高电压和较大电流的开关器件。
为了兼有这两种器件的优点，弃其缺点，20世纪80年代中期出现了将它们的通、断机制相结合的新一代半导体电力开关器件——绝缘栅极双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。
它是一种复合器件，其输入控制部分为MOSFET，输出级为双级结型三极晶体管；因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点，即高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到10~40kHz（比电力三极管高），饱和压降低（比MOSFET 小得多，与电力三极管相当），电压、电流容量较大，安全工作区域宽。
目前2500~3000V、800~1800A的IGBT器件已有产品，可供几千kVA以下的高频电力电子装置选用。
图1为IGBT的符号、内部结构等值电路及静态特性。
IGBT也有3个电极：栅极G、发射极E和集电极C。
输入部分是一个MOSFET管，图1中R dr表示MOSFET的等效调制电阻（即漏极-源极之间的等效电阻R DS）。
输出部分为一个PNP三极管T1，此外还有一个内部寄生的三极管T2（NPN管），在NPN晶体管T2的基极与发射极之间有一个体区电阻R br。
当栅极G与发射极E之间的外加电压U GE=0时，MOSFET管内无导电沟道，其调制电阻R dr可视为无穷大，Ic=0，MOSFET处于断态。
在栅极G与发射极E之间的外加控制电压U GE，可以改变MOSFET管导电沟道的宽度，从而改变调制电阻R dr，这就改变了输出晶体管T1（PNP管）的基极电流，控制了IGBT管的集电极电流Ic。
IGBT的驱动电路设计
目录一. 方案论证……………………………………………….1-3二. IGBT驱动电路的原理…………………………………4-5三. 基于EXB 841驱动电路设计…………………………...6-7四. 元件清单 (8)五. 结论 (9)六. 参考书目 (9)一.方案论证绝缘栅双极型晶体管IGBT(InsulatedG ateB ipolarTransistor)是一种由双极晶体管与MOSFET组合的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电力变换装置中得到广泛应用。
但是，IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及dine / d t等参数，决定了IGBT的静态与动态特性。
因此，在使用IGBT时，最重要的工作就是要设计好驱动与保护电路。
典型的IGBT栅极驱动电路一个理想的IGBT 驱动器应具有以下基本性能:(1) 动态驱动能力强,能为IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。
当IGBT 在硬开关方式下工作时,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。
这个过程越长,开关损耗越大。
器件工作频率较高时,开关损耗甚至会大大超过IGBT 通态损耗,造成管芯温升较高。
这种情况会大大限制IGBT 的开关频率和输出能力,同时对IGBT 的安全工作构成很大威胁。
IGBT 的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。
IGBT 的栅源特性呈非线性电容性质,因此,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力,才能使IGBT 栅源电压建立或消失得足够快,从而使开关损耗降至较低的水平。
另一方面,驱动器内阻也不能过小,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。
同时,过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。
（2）能向IGBT提供适当的正向栅压。
IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情况下, u GS越高, uDS就越低,器件的导通损耗就越小,这有利于充分发挥管子的工作能力。
IGBT绝缘栅双极晶体管解析
IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor的英文缩写绝缘门双极性晶体管绝缘栅双极晶体管缩写IGBTMOSFET是场效应管，因为只有一个极性的粒子导电，又称为单极性晶体管。
是功率管，有放大作用，IGBT的本质就是一个场效应管，不过是在场效应管的基础上加上了P+层。
是结合了场效应管＆双极性晶体管的特点。
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。
由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。
虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。
较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。
IGBT基本结构见图1中的纵剖面图及等效电路。
导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。
如等效电路图所示(图1)，其中一个MOSFET驱动两个双极器件。
基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。
当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。
如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。
最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流(双极)。
关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。
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专业：电子信息工程
姓名：
沖戸必象实验报告
学号：
日期：2011年
地点：教二
课程名称：电力电子器件指导老师：陈辉明成绩：
实验名称：实验类型：冋组学生姓名：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
实验二绝缘栅双极晶体管（IGBT）特性与驱动电路研究
一、实验目的和要求
1、熟悉IGBT主要参数与开关特性的处理方法。
2、掌握混合集成驱动电路M57859L的工作原理与调试方法。
3、研究IGBT主要参数与开关特性。
二、实验内容和原理
实验原理：
见《电力电子器件实验指导书》（汤建新编著）34页至38页“ IGBT特性与驱动电路研究”中实验线路及原理”。
混合集成驱动电路M57859L :
M57859L是高度集成的专为IGBT设计的栅极驱动电路，芯片提供了驱动所需要的要求，包括短路过流保护，过流定时恢复，栅极圭寸锁保护，输入隔离等功能。
芯片的原理图如下:
Block Diagram
三、主要仪器设备
1、DSX 01电源控制屏
2、DDS 16 “电力电子自关断器件特性与驱动电路”实验挂箱
3、DT 10 “直流电压电流表实验挂箱”
4、数字示波器等
四、操作方法和实验步骤
1、IGBT主要参数测试
2、M57959L主要性能测试
3、IGBT开关特性测试
4、过流保护性能测试
五、实验数据与分析
1、IGBT主要参数测试
1.1开启阀电压V gs(th)测试Detect Pin
Fault Output
E
VE
i
1
!
B
!
I
----------------- d
当电流为一毫安时开通电压为 6.18V
1.2跨导g m 测量
根据1.1测得是数据，计算得 gm ,绘制成曲线如下:
调节栅极电压，测量集电极电流, 记录数据如下： Ic/mA Vge/V 0.26 5.94 0.5 6.04 0.8 6.15 1.04 6.18 5.17 6.73 10.23 6.86 20.1 7.04 40.2 7.23 82.3 7.42 132 7.56 281
7.72 831
8.02
记录输入，并特别观察电流为
1m A 时的栅压，此时为开启电压。
1.3导通电阻测量
根据公式，计算得到数据如下:
当IGBT 未导通时，|C =0A ，因此，Ron=0Q 。
在开通的瞬间，有一个瞬间增大的跳变。
当IGBT 逐渐处于开通状态时，增加 ce V 导通电阻逐渐增大，由于实验设备的限制，测量的状态为 电阻的线
性区，
导通电阻随着电压的增加而近似满足线性关系。
2、M57959L 主要性能测试
2.1输入、输出延时时间测试
用示波器的双端分别观察输入信号和输出信号，其中一通道为输入信号，二通道为输出信号，波形结
果如下:
Ic Vce gm 0 0.2 0 0 0.4 0 0 0.4 0 0 0.45 0 8.2 0.5 60.98 8.3 0.6 72.29 8.5 0.65 76.47 26.7 0.7 26.22 67.4 0.8 11.87 138.1 0.908 6.575 223 1 4.484 339 1.1 3.245 482 1.2 2.49 667 1.3 1.949 875 1.4 1.6 1115
1.5 1.345 1406
1.604
1.141
i 二 B]
由波形可知，输入输出信号几乎无畸变和过冲。
观察延时时间，将波形放大，显示如下：
由示波器光标测量可知延时时间为392ns如上图所示
2.2过流保护定时复位时间测试
分别用示波器的双端观察电压和复位波形，二通道为复位波形，结果如下:
由波形可知，在一通道出现过流后，复位信号迅速下降，保护电路。
观察两个复位信号之间的间隔时间，为过流保护定时复位时间，如下：
…炉■ f |叩|||. n■ 严^嘟!耳黑
1,369ms
ICurB=32S
2.3驱动信号负栅压测试
得负栅压为4.16V如上图所示
2.4过流阀值电压测试
根据实验调节测量过流阀值电压。
实验中，不断提高栅极电压，观察示波器的波形。
由于当过流是, 驱动芯片自动产生过流保护，因此，当波形消失时的值，即为过流阀值电压。
经电压表测量其电压为6.98V
3、IGBT开关特性研究
3.1电阻负载开关特性测试
用示波器观察V GE和V CE的波形，如下所示:
波形可以看出，电压相位反向。
观察具体的开通和关断时间，将波形放大如下：
从波形中，可以看出开通过程中Vce与Vge的关系该延时时间约为200ns上升时间约为320ns，故总开通时间约为520ns
从波形中，可以看出关断过程中Vce与Vge的关系
该延时时间约为400ns上升时间约为400ns，故总开通时间约为800ns 用示波器观
察V CE和|c的波形，如下所示：
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综合以上图形绘制的开关特性曲线如下:
3.3并联缓冲电路作用及对开关特性的影响测试
从上到下依次为欠吸收、正好吸收和过吸收的波形图如下:
4、过流保护特性测试
用示波器观察V ge波形，打开电源电路，观察到过流指示灯发亮，波形消失。
消除故障，回复以前连线后，按复位按钮，指示灯灭，波形恢复。
由以上结果可知过流保护特性良好，结果正确。
波形如下：
六、讨论、心得
1熟悉了IGBT勺器件工作原理和特性原理，从实验中测的特性更有利于分析该器件内部结构和内部工作机理，加强了对书本知识的认识和理解。
2、通过实验，观察到了IGBT开关状态的状态与时间的关系，记录了波形并针对其特性进行了画图综合, 加深了对IGBT动态性能的理解。
3、初步认识了驱动电路的过流保护功能，并联缓冲电路开关特性的影响以及欠吸收正好吸收和过吸收的实际情况。