绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的保护
igbt的使用方法
igbt的使用方法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；IGBT是能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的CPU，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。
IGBT原理方法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。
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。
IGBT的保护功能
IGBT的保护功能1.IGBT的过流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。
对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。
这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。
IGBT 能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。
如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。
存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。
通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。
软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。
但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。
为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。
所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。
降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。
降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。
若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。
2． IGBT开关过程中的过电压关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。
IGBT模块驱动技术及应用
二、IGBT驱动与保护
驱动线
IGBT驱动线在设计过程中，尽量设计短，并双绞。
二、IGBT驱动与保护
结温
高结温将有助于减少在高杂散电感条件下的震荡
二、IGBT驱动与保护
二、IGBT驱动与保护
Vce尖峰
Vce尖峰电压由IGBT关断过程中杂散电感及二极管反向恢复产生。
L=85nH
L=185nH
衡IGBT的通态损耗和开关损耗。
一、IGBT基本原理
（2）非穿通（NPT）型IGBT
与PT型IGBT不同，NPT型IGBT以掺杂的N-
栅极
发射极
基区为衬底，P掺杂发射区设计的很薄，没有
PT型IGBT的N型缓冲区，这样在阻断状态，电
场只在N型衬底内存在。因为电场不再“穿
通”N型衬底，因此被称为“非穿通”型IGBT。
针对感性负载，为了防止过压，IGBT需要
并联一个续流二极管给电流提供续流回路。RC
N+
P
IGBT并不是简单的在外部并联一个半导体二极
管，而是在半导体内部实现了一个二极管，主
N-基区
（衬底）
要用于谐振电路、硬开关电路中。
N场终止层
P
N
集电极
P
一、IGBT基本原理
英飞凌IGBT
二、IGBT驱动与保护
IGBT模块驱动技术及应用
一、IGBT基本原理
目
录
二、IGBT驱动与保护
三、双脉冲测试
四、安全工作区
一、IGBT基本原理
1. IGBT基本介绍
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）绝缘栅双极型晶体管
IGBT之父:Jayant Baliga(贾杨.巴利加)教授（20世纪80年代发明）
IGBT保护电路设计
关于IGBT保护电路设计必知问题绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT）是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点．是取代GTR的理想开关器件。
IGBT目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，广泛应用于各类固态电源中。
IGBT的工作状态直接影响整机的性能，所以合理的驱动电路对整机显得很重要，但是如果控制不当，它很容易损坏，其中一种就是发生过流而使IGBT损坏，本文主要研究了IGBT 的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路，并进行了仿真研究。
二IGBT的驱动要求和过流保护分析1 IGBT的驱动IGBT是电压型控制器件，为了能使IGBT安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：IGBT的栅电容比VMOSFET大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。
（1）门极电压任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20v），最佳门极正向偏置电压为15v土10％。
这个值足够令IGBT饱和导通；使导通损耗减至最小。
虽然门极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、dv／dt耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。
（2）门极串联电阻心选择合适的门极串联电阻Rg对IGBT的驱动相当重要，Rg对开关损耗的影响见图1。
图1 Rg对开关损耗的影响IGBT的输入阻抗高压达109~1011，静态时不需要直流电流．只需要对输入电容进行充放电的动态电流。
其直流增益可达108~109，几乎不消耗功率。
为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg，当Rg 增大时，会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减少RF又会使di／dt增高，可能损坏IGBT。
IGBT基本参数详解
IGBT基本参数详解IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是绝缘栅双极型晶体管，是一种低开关损耗的高功率半导体开关设备，广泛应用于发电机、变电站、驱动电机等高功率电器中。
IGBT基本参数是选择IGBT的重要基础，本文将详细解释IGBT的基本参数。
1. 标记符号解释在讲解IGBT基本参数之前，首先了解一些标记符号的意义是非常重要的。
以下是常见的标记符号解释：•VCEO：开关管封装存放温度的最大值•VCE：集电极 / 引出极 / 集电极接地之间的最大电压•IC：集电极电流•Tj：晶体管结温度•Tstg：存储温度范围•VGE：栅极与发射极电压•IGT：栅极驱动电流•VCC：IGBT的电源电压•ISC：短路电流•tSC：短路恢复时间•tF：关断时间•tR：开启时间2. 关键参数解释接下来将分别讲解IGBT的一些关键参数。
2.1 集电极-发射极最大电压（VCE max）集电极-发射极最大电压是指可以承受的最大反向电压。
当集电极接地时，此参数也称为最大集电极电压。
切记不要超过规定的最大值，否则会引起永久性损坏。
2.2 集电极-发射极饱和电压（VCE sat）集电极-发射极饱和电压是指晶体管开启状态下的最大电压降。
此参数是晶体管开启状态中非常重要的参数，可以用于计算电流过载保护电路的选型。
2.3 集电极电流（IC max）集电极电流是指开启状态下晶体管允许传输的最大电流。
晶体管当前通过的电流不应大于此值，否则晶体管将受到损坏。
2.4 晶体管结温（Tj）晶体管结温是指晶体管内部的结温度。
此参数影响晶体管的寿命和可靠性，需要在设计应用电路时考虑。
2.5 栅极-发射极的阈值电压（Vth）栅极-发射极的阈值电压是指当晶体管允许传输的最小电压。
超过此电压将导致晶体管开启。
2.6 栅极驱动电流（IGT）栅极驱动电流是指栅极的驱动电流。
在实践中，IGBT的公称电流应为最低驱动电流的2-4倍。
实验一 绝缘栅双极型晶体管
电气工程及其自动化实验室实验指导书系列实验一绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究一．实验目的：1.熟悉IGBT开关特性的测试方法；2.掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。
二．实验内容1.EXB840性能测试；2.IGBT开关特性测试；3.过流保护性能测试。
三．实验方法1．EXB840性能测试（1）输入输出延时时间测试IGBT部分的“1”与PWM波形发生部分的“1”相连，IGBT部分的“13”与PWM波形发生部分的“2”相连，再将IGBT部分的“10”与“13”相连，与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。
t，t== offon（2）保护输出部分光耦延时时间测试将IGBT部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。
用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13”之间波形，记录延时时间。
（3）过流慢速关断时间测试接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。
（4）关断时的负栅压测试断开“10”与“13”的相连，其余接线同上，用示波器观察“12”与“17”之间波形，记录关断时的负栅压值。
（5）过流阀值电压测试断开“10”与“13”的连接，断开“2”与“1”的连接，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，分别将主回路的“3”与“4”和“10”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。
1电气工程及其自动化实验室实验指导书系列将主电路的RP左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将RP逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。
2．开关特性测试（1）电阻负载时开关特性测试将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4”与“5”，“6”与“7”，‘2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”，“17”与“16”相连，主回路的“1”与“4”分别和IGBT 部分的“18”与“15”相连。
常见IGBT模块及原理
常见IGBT模块及原理IGBT模块是现代电力电子设备中常见的一种功率开关模块。
它由一个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和一个驱动电路构成。
IGBT是一种结合了晶体管和MOSFET的功率开关器件，具有低开关损耗、高工作频率、大承受电流等特点，广泛应用于变频器、UPS电源、电机驱动等领域。
IGBT模块的基本原理是利用IGBT的输电特性来实现功率开关控制。
IGBT由P型掺杂的肖特基二极管和漏区域的N型IGBT构成。
通过正确的电压和电流控制，可以实现对模块的通断控制。
IGBT模块通常包括多个IGBT芯片并联组成，以增加承受电流能力。
它还包括辅助电路，如驱动电路、保护电路等。
驱动电路是IGBT模块的重要组成部分，用于控制IGBT的开关。
它接收来自控制信号源的逻辑信号，并根据需要提供适当的电流和电压给IGBT芯片的栅极，以实现IGBT的导通和截止。
保护电路是为了保护IGBT模块和外部电路，防止短路、过流、过压等异常情况的发生。
保护电路通常包括过流保护、过压保护、温度保护等功能。
在实际应用中，IGBT模块通常需要进行散热，以保持模块的正常工作温度。
特别是在大功率应用中，散热设计非常重要。
一般采用铜排、铝电解电容等散热装置，以提高散热效果。
常见的IGBT模块有单栅极模块、双栅极模块和集成驱动模块等。
单栅极模块包括一个IGBT芯片和一个驱动芯片。
它的特点是结构简单，体积小，适用于低功率应用。
双栅极模块具有两个IGBT芯片和一个驱动芯片，可以实现双向开关功能。
它的特点是电流容量大，适用于中高功率应用。
集成驱动模块是将多个IGBT芯片和驱动芯片集成在一个模块内，以实现更高的功率密度和较好的系统集成。
它可以具有多个输出通道和更灵活的控制功能。
总之，IGBT模块是一种常见的功率开关模块，通过控制IGBT的开关状态来实现功率控制。
IGBT模块的原理主要是利用IGBT的输电特性，配合驱动电路和保护电路来实现对模块的控制和保护。
igbt绝缘栅双极晶体管国家标准
igbt绝缘栅双极晶体管国家标准IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准。
IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极晶体管是一种半导体器件，具有功率MOSFET和双极晶体管的优点，被广泛应用于电力电子、变频调速、逆变器等领域。
为了规范和统一IGBT绝缘栅双极晶体管的生产、测试和应用，我国制定了一系列国家标准，以确保产品质量和安全性。
首先，IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准对产品的分类和命名进行了规定。
根据不同的用途和技术要求，IGBT绝缘栅双极晶体管被分为不同的等级和型号，并对其命名进行了统一规范，以便生产厂家和用户能够准确地识别和选择合适的产品。
其次，国家标准对IGBT绝缘栅双极晶体管的技术要求进行了详细的规定。
包括电气特性、封装结构、环境适应能力、可靠性指标等方面的要求，以确保产品在各种工作条件下都能够稳定可靠地工作，并具有一定的抗干扰能力和环境适应能力。
此外，IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准还对产品的检验方法和标志进行了规定。
包括产品的外观检查、电气性能测试、环境适应能力测试等内容，以及产品标志的规定和使用，以便生产厂家和用户在使用过程中能够准确地了解产品的性能和质量等信息。
总的来说，IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准的制定，对于推动我国IGBT绝缘栅双极晶体管产业的发展，提高产品质量和安全性，促进技术创新和产业升级具有重要意义。
只有严格依照国家标准生产、测试和应用IGBT绝缘栅双极晶体管，才能够确保产品的质量和可靠性，为用户提供更加优质的产品和服务。
综上所述，IGBT绝缘栅双极晶体管国家标准的制定和执行，是我国电力电子领域的重要举措，将为行业的发展和产品的质量提升起到积极的推动作用。
希望生产厂家和用户能够充分重视国家标准的执行，共同推动我国IGBT绝缘栅双极晶体管产业的健康发展。
绝缘栅双极型晶体管作用
绝缘栅双极型晶体管作用
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种高性能功率半导体器件，广泛应用于电力电子、交通运输、工业自动化等领域。
其主要作用如下：
1. 放大信号：IGBT具有较高的电压放大倍数和较低的输入阻抗，能够有效地放大小信号。
2. 控制电流：IGBT的控制端可以通过调节输入信号的大小来控制输出电流的大小，从而实现对电路的精确控制。
3. 开关功能：IGBT具有快速开关和可靠性高等特点，可以在高频率下进行开关操作，并且不易出现损坏情况。
4. 降低功耗：由于IGBT具有较低的导通损耗和截止损耗，因此能够有效地降低功耗并提高效率。
5. 保护作用：当负载电流过大或过载时，IGBT可以自动切断电路以避免设备损坏，并保护系统安全运行。
6. 防止反向漏电流：由于IGBT具有良好的反向阻断特性，能够有效地防止反向漏电流对设备造成损害。
总之，绝缘栅双极型晶体管是一种高性能功率半导体器件，具有多种作用，能够广泛应用于各个领域。
(国内标准)IGBT驱动保护及典型应用
（国内标准）IGBT驱动保护及典型应用IGBT驱动保护及典型应用Sy摘要IGBT（绝缘栅双极晶体管）是壹种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的壹种新型复合器件,它同时具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性和双极晶体管的低饱和电压特性，易实现较大电流的能力，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点。
近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件，且得到越来越广泛的应用。
本文主要介绍了IGBT的基本结构、工作原理、驱动电路，同时简要概括了IGBT模块的选择方法和保护措施等，最后对IGBT的实际典型应用进行了分析介绍，通过对IGBT 的学习，来探讨IGBT于当代电力电子领域的广泛应用和发展前景。
关键词：IGBT；绝缘栅双极晶体管；驱动电路；保护电路；变频器；电力电子器件目录引言11、IGBT的基本结构12、IGBT的工作原理32.1 IGBT的工作特性33、IGBT的驱动53.1驱动电路设计要求53.2 几种常用IGBT的驱动电路64、IGBT驱动保护74.1 驱动保护电路的原则74.2 IGBT栅极的保护84.3 IGBT的过电流保护94.3.1 驱动过流保护电路的驱动过流保护原则94.3.2 IGBT过流保护电路设计94.3.3具有过流保护功能的IGBT驱动电路的研究114.5 IGBT的过热保护154.6 IGBT驱动保护设计总结155.IGBT专用集成驱动模块M57962AL介绍16结论20参考文献21引言随着国民经济各领域和国防工业对于电能变换和处理的要求不断提高，以及要满足节能和新能源开发的需求，作为电能变换装置核心部件的功率半导体器件也起着越来越重要的作用。
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）自1982年由GE公司和RCA公司宣布以来，引起世界许多半导体厂家和研究者的重视，伴随而来的是IGBT的技术高速发展，其应用领域不断扩展它不仅于工业应用中取代了MOSFET和GTR（GiantTransistor，巨型晶体管），甚至已扩展到SCR（Silicon ControlledRectifier，可控硅整流器）和GTO（GateTurn-OffThyristor，门控晶闸管）占优势的大功率应用领域，仍于消费类电子应用中取代了BJT和MOSFET 功率器件的许多应用领域IGBT额定电压和额定电流所覆盖的输出容量已达到6MVA，商品化IGBT模块的最大额定电流已达到3.6kA，最高阻断电压为6.5kV，且已成功应用于许多中、高压电力电子系统中。
igbt作用
igbt作用IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极晶体管，是一种大功率半导体器件。
它结合了功率金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）和功率双极型晶体管（BJT）的优点，因此广泛应用于工业控制、电力变换和电能调节等领域。
IGBT的作用主要体现在以下几个方面：1. 转换和放大作用：IGBT具有双极型晶体管的开关性能和MOSFET的驱动能力，能够实现从微安级信号到几百安的大电流的转换和放大。
这使得IGBT在电力电子领域中广泛应用于开关电源、逆变器和交流调速装置等设备中。
2. 控制电流和电压：IGBT能够精确控制电流和电压的大小，从而实现电力调节和功率控制。
通过改变IGBT的栅极电压和信号输入，可以调整输出电流和电压的大小，满足不同电气负载的需要。
3. 高电压驱动：IGBT的栅极与驱动电路之间有绝缘层，使得其具备高耐压特性，可承受几百伏至几千伏的高电压。
这使得IGBT在电力系统中可用于高电压开关设备，如变压器和断路器，以提高电力系统的效率和稳定性。
4. 低开关损耗：与双极型晶体管相比，IGBT的开关损耗要小得多。
它的导通电压降和开关速度都比双极型晶体管低，从而减少了功率损耗和能量浪费。
这使得IGBT成为高效能源转换的理想选择，广泛应用于电机驱动系统、太阳能发电装置和电动汽车等领域。
5. 保护系统：IGBT具有过流、过温、过压和短路等保护功能，可以保护设备和电路免受损坏。
例如，在逆变器中，IGBT可通过检测电流和温度来避免过载和过热，从而延长设备的使用寿命。
总之，IGBT作为一种强大和可靠的功率半导体器件，其作用在于实现大功率电流和电压的转换、放大和调节。
通过控制信号输入和电源电压，IGBT能够提供高效的能量转换，同时保护电力设备和电路免受损坏。
随着科技的不断发展，IGBT的应用领域将更加广泛，为电力系统优化和节能减排做出更大的贡献。
IGBT器件的工作原理和在风力发电中的应用
IGBT器件的工作原理和在风力发电中的应用IGBT，全称绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），是一种混合元件，既有MOSFET的高输入阻抗和低开关频率，又有双极型晶体管的高电流承载能力和低导通电阻。
它主要由三个部分组成：n型和p型半导体层组成的双极型晶体管部分，以及一个绝缘栅极。
当我们给IGBT的栅极施加一个正电压时，MOSFET部分会导通，形成一个导电通道，从而使得双极型晶体管部分导通，形成电流。
当我们去掉栅极的正电压时，MOSFET部分会关闭，从而使得IGBT截止，断开电流。
通过控制栅极电压的施加和移除，我们可以精确控制IGBT的导通和截止，从而实现电能的高效转换和控制。
在风力发电领域，IGBT器件被广泛应用于变频器和整流器等关键部件中。
以我国某知名风力发电机为例，它采用了先进的IGBT变频器技术，使得风力发电机能够在不同的风速下，通过调整IGBT导通和截止的时机和频率，实现对电机转速和扭矩的精确控制，从而提高了发电效率，降低了维护成本。
IGBT器件在风力发电中的应用还体现在它的可靠性高，寿命长，以及易于模块化和集成化。
传统的风力发电机往往需要多级变频器和整流器，而采用IGBT技术的风力发电机则可以通过集成化的设计，减少设备的体积和重量，降低系统的复杂度和维护成本。
总的来说，IGBT器件以其独特的工作原理和在风力发电中的优异表现，为我们提供了一种高效，可靠，以及易于控制的电力电子器件。
我相信，随着科技的进步和市场需求的增长，IGBT器件在风力发电领域的应用将会越来越广泛，为我们的绿色能源事业做出更大的贡献。
重点和难点解析：在上述内容中，有几个重点和难点需要特别关注。
IGBT器件的工作原理，尤其是它结合了MOSFET和双极型晶体管的特性，这是理解IGBT的基础。
IGBT在风力发电中的应用，尤其是在变频器和整流器等关键部件中的作用，这是理解其在风力发电领域价值的关键。
栅极电阻RG对IGBT开关特性的性能影响分析
栅极电阻RG对IGBT开关特性的性能影响分析栅极电阻（RG）是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）中一个重要的参数，对其开关特性和性能有着显著影响。
本文将从多个方面对RG对IGBT开关特性的性能影响进行分析。
首先，栅极电阻（RG）与IGBT开关速度有密切关系。
栅极电阻越小，开关速度越快，能够更快地将IGBT从导通状态切换到截止状态，或者相反。
这是因为较小的栅极电阻能够更快地将电荷注入或排出栅极区域，从而加快栅极电势的变化速度，改变晶体管的工作状态。
另一方面，较大的栅极电阻会导致电荷注入或排出的速度减慢，使得开关过程变慢。
其次，RG对IGBT的导通和截止电流有重要影响。
较小的栅极电阻能够提供更好的电流注入和排出能力，使得IGBT在导通状态下的电流可以更大，而在截止状态下的电流可以更小。
这对于IGBT的功耗和效率都有很大的影响。
因此，在一些高频应用领域，需要选择较小的栅极电阻来提供更好的性能。
此外，栅极电阻也会影响IGBT的开关损耗。
栅极电阻越小，开关损耗就越小。
这是因为较小的栅极电阻可以更快地改变栅极电势，从而更快地切换晶体管的工作状态。
在开关过程中，当IGBT从导通状态切换到截止状态时，电流会在晶体管中产生一个高峰值，导致功耗损失。
而较小的栅极电阻可以更快地切换晶体管至截止状态，减少这种开关损耗。
最后，栅极电阻也会影响IGBT的温度特性。
较小的栅极电阻会产生更小的热功耗，使得IGBT的温度上升速度更慢，温度更低。
这有助于提高IGBT的可靠性和寿命。
而较大的栅极电阻会导致更大的热功耗和温度上升速度，可能会降低IGBT的可靠性和寿命。
综上所述，栅极电阻（RG）对IGBT开关特性的性能有着明显的影响。
较小的栅极电阻可以提供更快的开关速度、更大的导通电流和更小的截止电流，减少开关损耗，同时也有助于降低温度和提高可靠性。
因此，在设计IGBT电路时，需要考虑并选择合适的栅极电阻来满足应用需求。
IGBT保护电路
1 引言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模块由于具有多种优良的特性，使它得到了快速的发展和普及，已应用到电力电子的各方各面。
因此熟悉IGBT模块性能，了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。
本文从实际应用出发，总结出了过流、过压与过热保护的相关问题和各种保护方法，实用性强，应用效果好。
2 过流保护过流保护用PTC热敏电阻通过其阻值突变限制整个线路中的消耗来减少残余电流值。
可取代传统的保险丝，广泛用于马达、变压器、开关电源、电子线路等的过流过热保护，传统的保险丝在线路熔断后无法自行恢复，而过流保护用PTC热敏电阻在故障撤除后即可恢复到预保护状态，当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功能。
对IGBT的过流检测保护分两种情况：主电路和控制电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路(即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管)，称为驱动电路。
安规问题，驱动电路副边与主电路有耦合关系，而驱动原边是与控制电路连在一起，主电路是一次电路，控制电流是ELV电路，一次电路和ELV电路时间要做基本绝缘，实现绝缘要求一般就采取变压器光耦等隔离措施。
(1)驱动电路中无保护功能。
这时在主电路中要设置过流检测器件。
对于小容量变频器，一般是把电阻R直接串接在主电路中，如图1(a)所示，通过电阻两端的电压来反映电流的大小;对于大中容量变频器，因电流大，需用电流互感器TA(如霍尔传感器等)。
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西安电子工程研究所陈义怀胡卫华王彦
摘要:通过对IGBT损坏机理的分析,根据其损坏的原因,采取相应措施对其进行保护,以保证其安全可靠工作.
关键词:IGBT;MOSFET;驱动;过压;浪涌;缓冲;过流;过热;保护
引言
绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,因此,可以把其看作是MOS输入的达林顿管.它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用.
在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO.但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性.因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节.
1 IGBT的工作原理
IGBT的等效电路如图1所示.由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止.
由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定:
——IGBT栅极与发射极之间的电压;
——IGBT集电极与发射极之间的电压;
——流过IGBT集电极-发射极的电流;
——IGBT的结温.
如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压,流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏.
2 保护措施
在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施.
2．1 IGBT栅极的保护
IGBT的栅极-发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路.另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极-发射极有电流流过.这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏.如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上电压,则IGBT就可能会损坏.为防止此类情况发生,应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻,此电阻应尽量靠近栅极与发射极.如图2所示.
由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体,特别是其栅极为MOS结构,因此除了上述应有的保护之外,就像其他MOS结构器件一样,IGBT对于静电压也是十分敏感的,故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项:
——在需要用手接触IGBT前,应先将人体上的静电放电后再进行操作,并尽量不要接触模块的驱动端子部分,必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉;
——在焊接作业时,为了防止静电可能损坏IGBT,焊机一定要可靠地接地.
2．2 集电极与发射极间的过压保护
过电压的产生主要有两种情况,一种是施加到IGBT集电极-发射极间的直流电压过高,另一种为集电极-发射极上的浪涌电压过高.
2.2.1 直流过电压
直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致.解决的办法是在选取IGBT时,进行降额设计;另外,可在检测出这一过压时分断IGBT的输入,保证IGBT的安全.
2.2.2 浪涌电压的保护
因为电路中分布电感的存在,加之IGBT的开关速度较高,当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时,就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt,威胁IGBT的安全.
通常IGBT的浪涌电压波形如图3所示.
图中:vCE为IGBT?电极-发射极间的电压波形;
ic为IGBT的集电极电流;
Ud为输入IGBT的直流电压;
VCESP=Ud+Ldic/dt,为浪涌电压峰值.
如果VCESP超出IGBT的集电极-发射极间耐压值VCES,就可能损坏IGBT.解决的办法主要有:
——在选取IGBT时考虑设计裕量;
——在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg,使di/dt尽可能小;
——尽量将电解电容靠近IGBT安装,以减小分布电感;
——根据情况加装缓冲保护电路,旁路高频浪涌电压.
由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用,在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍.
—C缓冲电路如图4(a)所示,采用薄膜电容,靠近IGBT安装,其特点是电路简单,其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路,易产生电压振荡,而且IGBT开通时集电极电流较大.
——RC缓冲电路如图4(b)所示,其特点是适合于斩波电路,但在使用大容量IGBT时,必须使缓冲电阻值增大,否则,开通时集电极电流过大,使IGBT功能受到一定限制.
——RCD缓冲电路如图4(c)所示,与RC缓冲电路相比其特点是,增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大,避开了开通时IGBT 功能受阻的问题.
该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为
P=LI2f+CUd2f式中:L为主电路中的分布电感;
I为IGBT关断时的集电极电流;
f为IGBT的开关频率;
C为缓冲电容;
Ud为直流电压值.
——放电阻止型缓冲电路如图4(d)所示,与RCD缓冲电路相比其特点是,产生的损耗小,适合于高频开关.
在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为
P=1/2LI2f+1/2CUf
根据实际情况选取适当的缓冲保护电路,抑制关断浪涌电压.在进行装配时,要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感,接线越短越粗越好.
2．3 集电极电流过流保护
对IGBT的过流保护,主要有3种方法.
2.3.1 用电阻或电流互感器检测过流进行保护
如图5(a)及图5(b)所示,可以用电阻或电流互感器与IGBT串联,检测流过IGBT集电极的电流.当有过流情况发生时,控制执行机构断开IGBT的输入,达到保护IGBT的目的.
2.3.2 由IGBT的VCE(sat)检测过流进行保护
如图5(c)所示,因VCE(sat)=IcRCE(sat),当Ic增大时,VCE(sat)也随之增大,若栅极电压为高电平,而VCE为高,则此时就有过流情况发生,此时与门输出高电平,将过流信号输出,控制执行机构断开IGBT的输入,保护IGBT.
2.3.3 检测负载电流进行保护
此方法与图5(a)中的检测方法基本相同,但图5(a)属直接法,此属间接法,如图5(d)所示.若负载短路或负载电流加大时,也可能使前级的IGBT的集电极电流增大,导致IGBT损坏.由负载处(或IGBT的后一级电路)检测到异常后,控制执行机构切断IGBT的输入,达到保护的目的.
2．4 过热保护
一般情况下流过IGBT的电流较大,开关频率较高,故而器件的损耗也比较大,如果热量不能及时散掉,使得器件的结温Tj超过Tjmax,则IGBT可能损坏.
IGBT的功耗包括稳态功耗和动态动耗,其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗.在进行热设计时,不仅要保证其在正常工作时能够充分散热,而且还要保证其在发生短时过载时,IGBT的结温也不超过Tjmax.
当然,受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑,散热系统也不可能无限制地扩大.可在靠近IGBT处加装一温度继电器等,检测IGBT的工作温度.控制执行机构在发生异常时切断IGBT的输入,保护其安全.
除此之外,将IGBT往散热器上安装固定时应注意以下事项:
——由于热阻随IGBT安装位置的不同而不同,因此,若在散热器上仅安装一个IGBT时,应将其安装在正中间,以便使得热阻最小;当要安装几个IGBT时,应根据每个IGBT的发热情况留出相应的空间;
——使用带纹路的散热器时,应将IGBT较宽的方向顺着散热器的纹路,以减少散热器的变形;
——散热器的安装表面光洁度应≤10μm,如果散热器的表面不平,将大大增加散热器与器件的接触热阻,甚至在IGBT的管芯和管壳之间的衬底上产生很大的张力,损坏IGBT的绝缘层;
——为了减少接触热阻,最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂.
3 结语
在应用IGBT时应根据实际情况,采取相应的保护措施.只要在过压、过流、过热等几个方面都采取有效的保护措施后,在实际应用中均能够取得良好的效果,保证IGBT安全可靠地工作.。