第7章_绝缘栅双极晶体管IGBT

电路要严格进行电气隔离，防止相互间的干扰；还要有完整的自保护功能。
同时，驱动电路到IGBT目块的引线要尽量短，且采用绞线或同轴电缆屏蔽 线，以免引起干扰。
7.5
2. 驱动电路实例
IGBT的驱动
1）分立元件组成的驱动电路 （1）实例1
图7.5为采用光电耦合器进行隔离 的栅极驱动电路。其工作原理为：
当控制端的电压信号 u 为高电 平时，光电耦合器件导通，晶体管 VT1、VT2导通。VT1导通使VT3导 通，VT2导通使VT4截止，＋U CC 经 VT3与 RG 向IGBT栅极提供驱动电流， 使IGBT导通。通常 为＋15V， U CC 使IGBT处于饱和导通状态。
IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块， 成为逆导器件 。
7.5
IGBT的驱动
1. 对栅极驱动电路的基本要求
IGBT的输入极为绝缘栅极，对电荷的积累很敏感，因此要求 驱动电路必须可靠。 一般对IGBT的驱动电路有以下基本要求： （1）由于IGBT的栅射极之间有数千皮法左右的极间电容，为加快建立
(4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。
(7) 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步 提高，同时保持开关频率高的特点 。
7.4
IGBT的擎住效应和安全工作区
擎住效应或自锁效应：
——NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向 空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对该PN结施加正偏压，一旦 PN结开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。
R1 R6 R7 R9 VT3 RG R2 VT1 R3 R5 R4 R8 VT2 R10 VT4 IGBT
UCC
- U CC 经VT4与 RG 向IGBT栅极提供反
向驱动电流，使IGBT截止。一般取 - U CC 为-5V～-10V。由于IGBT截止
u
时，栅极处于反向偏臵状态，所以具
有较强的抗干扰能力。在电路输出级 采用互补式的电路可降低驱动器的内 阻，并加速IGBT的关断过程。
GE GE
为12～15V。
（4）要提供大小合适的反向驱动电压。IGBT关断时，在栅极和发射极间 施加反向电压（－ U ）可防止因关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，
GE
并使IGBT快速关断。但反向驱动电压也不能过高，否则会造成栅射极反向
击穿。一般取合适的反向电压的数值为－5～－10V。
7.5
IGBT的驱动
• 开启电压UGE(th)——IGBT能实现电 导调制而导通的最低栅射电压。
IC IC 有源区
• UGE(th) 随温度升高而略有下降，在 +25C时，UGE(th) 的值一般为2~5V。
饱 和 区
UGE增加 UGE(th) UFM UCE b)
输出特性（伏安特性）——以UGE 为参考变量时，IC与UCE间的关系。
U GE 90% U 10% U
GEM
U
GEM
GEM
90% I CM
0 IC t d(on) tr
I CM t d(off) t fi1 tf t fi2
t
10% I CM 0 U CE t on U CEM t fv1 t fv2 U O
CE(on)
t off
t
• uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1——IGBT 中MOSFET 单独 工 作 的 电 压 下 降 过 程 ； tfv2—— MOSFET和PNP晶体管同时工作 的电压下降过程。
u
UCC
R1 R6 R7 VT3 RG R2 VT1 R3 R5 R4 R8 VT2 R10 VT4 IGBT R9
U CC
图7.5 采用光电耦合器的栅极驱动电路
7.5
2. 驱动电路实例
IGBT的驱动
当 u 为低电平时，光电耦合器件
不导通，VT1、VT2均截止。VT1截止 使VT3截止，VT2截止使VT4导通，
发射极 栅极 G E N J3
+ + + +
IGBT的结构
P J2 J1
N
N NN
+
P
N
+ ID RN VJ1 + 漂移区 缓冲区 注入区 E b) G + IDRon -
IC C
G
P+ C 集电极 a)
c)
图7.1 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
2、 IGBT的动态特性
U 90% U 10% U 90% I
GE
U
GEM
GEM
GEM
0
IC
CM
I t
d(on)
CM
t t
d(off)
tr
t
f
t fi1
10% I
CM
t fi2 t
0 U
CE
U
t on
CEM
t off
t
fv1
t
fv2
U O
CE(on)
t
图7.4
IGBT的开关过程
7.2
IGBT的开通过程
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
7.1
IGBT的结构和工作原理
• 图 7.1a—N 沟 道 VDMOSFET 与 GTR 组 合 ——N 沟 道 IGBT （ NIGBT） • IGBT比VDMOSFET多一层P+ 注入区，形成了一个大面积的PN 结J1。——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，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。 • 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构， 一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 • RN为晶体管基区内的调制电阻。 C
第7章
绝缘栅双极晶体管IGBT
GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通 流能力很强，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗 高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar
IGBT的基本特性
与MOSFET的相似，因为开通过程 中IGBT在大部分时间作为MOSFET 运行。 • 开通延迟时间td(on) ——从uGE上 升至其幅值10%的时刻，到iC 上 升至10% ICM² 。 • 电流上升时间tr ——iC从10%ICM 上升至90%ICM所需时间。 • 开通时间ton——开通延迟时间 与电流上升时间之和。
7.3
IGBT的主要参数
1) 最大集射极间电压UCES
——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。
2) 最大集电极电流
——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。
3) 最大集电极功耗PCM
——正常工作温度下允许的最大功耗 。
7.3
IGBT的主要参数
IGBT的特性和参数特点可以总结如下：
(1) 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损 耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。 (2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐 脉冲电流冲击能力。 (3) 通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。
t
图7.2 IGBT的开关过程
7.2
IGBT的关断过程
IGBT的基本特性
• 关 断 延 迟 时 间 td(off) —— 从 uGE 后 沿 下 降 到 其 幅 值 90% 的 时 刻 起 ， 到 iC 下 降 至 90%ICM 。 • 电 流 下 降 时 间 ——iC 从 90%ICM下降至10%ICM 。 • 关断时间toff——关断延迟时 间与电流下降之和。
驱动电压，要求驱动电路具有较小的内阻。同时用内阻小的驱动源对电
容冲放电，可以保证栅极控制电压 快速开通和关断，并减少开关损耗。 （2）栅极驱动电源的功率要足够大，这样可以保证在IGBT导通后， 其功率输出级总是处于饱和状态。而当瞬时过载时，足够大的驱动功 率也足以保证IGBT不退出饱和区，以使IGBT的开关可靠，并避免在 开通期间因退饱和而损坏。 的前后沿足够陡峭，从而使IGBT U GE
• 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。 • 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。
正偏安全工作区（FBSOA）
——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。
反向偏臵安全工作区（RBSOA）
——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率 duCE/dt确定。
t fv1
t fv2 U
CE(on)
O
t
图7.2
IGBT的开关过程
7.2
IGBT的基本特性
通过对IGBT的基本特性的分析，可以看出：
• IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的 好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电
力MOSFET。
• IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。 • 高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通 态压降的增大和关断时间的延长。
7.2
IGBT的基本特性
1、 IGBT的静态特性
IC IC 有源区
饱 和 区
UGE增加 UGE(th) UFM UCE b)
URM 反向阻断区 O UGE(th) a) UGE O
正向阻断区
图7.2 IGBT的转移特性和输出特性