IGBT电路工作演示稿解析
IGBT工作原理
IGBT工作原理引言概述：IGBT是一种广泛应用于电力电子领域的功率半导体器件，具有高效率、高速度和高可靠性等优点。
了解IGBT的工作原理对于电力电子工程师和研究人员来说至关重要。
本文将详细介绍IGBT的工作原理，包括结构、工作方式和应用等方面。
一、IGBT的结构1.1 发射极结构：IGBT的发射极是由N+型硅衬底、N型漏极和P型基极组成的结构。
1.2 栅极结构：IGBT的栅极是由金属层和绝缘层组成的结构，用于控制电流流动。
1.3 集电极结构：IGBT的集电极是由N+型硅衬底和P型漏极组成的结构，用于集中电流输出。
二、IGBT的工作方式2.1 关态：当IGBT的栅极施加正向电压时，电流可以从集电极流向发射极，器件处于导通状态。
2.2 开态：当IGBT的栅极施加负向电压时，电流无法从集电极流向发射极，器件处于关断状态。
2.3 开关速度：IGBT的开关速度取决于栅极电压的变化速度，快速开关速度可以提高器件的效率和性能。
三、IGBT的特点3.1 高效率：IGBT具有低导通压降和低开关损耗，能够提高系统的能效。
3.2 高速度：IGBT的开关速度快，能够实现快速的电流控制和开关操作。
3.3 高可靠性：IGBT具有较高的耐压和耐热性能，能够在恶劣环境下稳定工作。
四、IGBT的应用领域4.1 变频调速：IGBT广泛应用于变频调速系统中，实现机电的精确控制和能量调节。
4.2 逆变器：IGBT可以用于逆变器中，将直流电源转换为交流电源，满足不同电器设备的电源需求。
4.3 电力传输：IGBT可用于电力传输系统中，提高电网的稳定性和效率，实现电力的远距离传输。
五、总结IGBT作为一种重要的功率半导体器件，在电力电子领域具有广泛的应用前景。
了解IGBT的结构、工作方式和特点对于电力电子工程师和研究人员来说至关重要，可以匡助他们设计和优化电力电子系统，提高系统的效率和性能。
希翼本文能够匡助读者更好地理解IGBT的工作原理，为他们在实际应用中提供指导和匡助。
还搞不懂IGBT？一文详细解读IGBT结构和工作原理，几分钟搞定IGBT
还搞不懂IGBT？一文详细解读IGBT结构和工作原理，几分钟搞定IGBT大家好，我是李工，希望大家多多支持我。
（愉快的周末过去了）看到有人给我留言，说希望讲一下IGBT（绝缘栅双极型晶体管)，今天就讲一下IGBT，那位留言的朋友记得按时来看。
在实际应用中最流行和最常见的电子元器件是双极结型晶体管BJT 和 MOS管。
在之前的文章中我已经对BJT的工作原理和MOS管的工作原理以及结构应用有进行详细地说明，如果忘记了可以点击标题直接跳转。
mos管工作原理详解BJT工作原理详解IGBT实物图+电路符号图虽然说BJT 和MOS 管是最流行和最常见的元器件，但是在非常高电流的应用中有限制，这个时候 IGBT 就派上用场了。
你可以把 IGBT 看作 BJT 和 MOS 管的融合体，IGBT具有 BJT 的输入特性和 MOS 管的输出特性。
与BJT 或MOS管相比，绝缘栅双极型晶体管IGBT 的优势在于它提供了比标准双极型晶体管更大的功率增益，以及更高的工作电压和更低的 MOS 管输入损耗。
这篇文章将较为详细地讲解IGBT 内部构造，工作原理等基础知识。
希望能够让大家更了解 IGBT，也请大家多多指教。
什么是IGBT？IGBT 是绝缘栅双极晶体管的简称，是一种三端半导体开关器件，可用于多种电子设备中的高效快速开关。
IGBT 主要用于放大器，用于通过脉冲宽度调制 (PWM) 切换/处理复杂的波形。
就像我上面说的 IGBT 是 BJT 和 MOS管的融合，IGBT 的符号也代表相同。
你可以看到输入侧代表具有栅极端子的MOS管，输出侧代表具有集电极和发射极的 BJT。
集电极和发射极是导通端子，栅极是控制开关操作的控制端子。
IGBT的电路符号与等效电路图IGBT内部结构IGBT 有三个端子（集电极、发射极和栅极）都附有金属层。
然而，栅极端子上的金属材料具有二氧化硅层。
IGBT结构是一个四层半导体器件。
四层器件是通过组合PNP 和NPN 晶体管来实现的，它们构成了 PNPN 排列。
IGBT的结构与工作原理详解
IGBT的结构与工作原理详解一、IGBT的结构图1所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构，N+区称为源区，附于其上的电极称为源极。
N+区称为漏区。
器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。
沟道在紧靠栅区边界形成。
在漏、源之间的P型区（包括P+和P-区，沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。
而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。
IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴（少子），对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
二、IGBT的工作特性1、静态特性IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。
它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。
在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。
如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。
IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。
它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。
几种IGBT驱动电路的保护电路原理图
几种IGBT驱动电路的保护电路原理图第一种驱动电路EXB841/840EXB841工作原理如图1,当EXB841的14脚和15脚有10mA的电流流过1us以后IGBT 正常开通，VCE下降至3V左右，6脚电压被钳制在8V左右，由于VS1稳压值是13V,所以不会被击穿，V3不导通，E点的电位约为20V,二极管VD,截止，不影响V4和V5正常工作。
当14脚和15脚无电流流过，则V1和V2导通，V2的导通使V4截止、V5导通，IGBT 栅极电荷通过V5迅速放电，引脚3电位下降至0V,是IGBT 栅一射间承受5V左右的负偏压，IGBT可靠关断，同时VCE的迅速上升使引脚6悬空.C2的放电使得B点电位为0V,则V S1仍然不导通，后续电路不动作，IGBT正常关断。
如有过流发生，IGBT的V CE过大使得VD2截止，使得VS1击穿，V3导通，C4通过R7放电，D点电位下降，从而使IGBT的栅一射间的电压UGE降低,完成慢关断，实现对IGBT的保护。
由EXB841实现过流保护的过程可知，EXB841判定过电流的主要依据是6脚的电压，6脚的电压不仅与VCE 有关，还和二极管VD2的导通电压Vd有关。
典型接线方法如图2,使用时注意如下几点：a、IGBT栅-射极驱动回路往返接线不能太长(一般应该小于1m)，并且应该采用双绞线接法，防止干扰。
b、由于IGBT集电极产生较大的电压尖脉冲，增加IGBT栅极串联电阻RG有利于其安全工作。
但是栅极电阻RG不能太大也不能太小，如果RG增大，则开通关断时间延长，使得开通能耗增加;相反，如果RG太小，则使得di/dt增加，容易产生误导通。
c、图中电容C用来吸收由电源连接阻抗引起的供电电压变化，并不是电源的供电滤波电容，一般取值为47 F.d、6脚过电流保护取样信号连接端，通过快恢复二极管接IGBT集电极。
e、14、15接驱动信号，一般14脚接脉冲形成部分的地，15脚接输入信号的正端，15端的输入电流一般应该小于20mA,故在15脚前加限流电阻。
IGBT基本原理ppt课件
因强制换流关断使控制电路非常复杂, 限制了它的应用。
GTO、 GTR
它们都是自关断器件,开关速度比 SCR 高, 控制电路也得到了简化。 目前的 GTO 和 GTR 的水平分别达 到了 6000V /6000A、1000V / 400A。 但是, GTO 的开关速度还是较低,GTR 存在二次击穿和不易并 联问题。 另外, 它们共同存在驱动电流大、功耗损失大的问题。
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1.IGBT定义
IGBT，绝缘栅双极晶体管(Insolated Gat Bipolar Transistor,IGBT)，它是由BJT（双极性三极管）和
MOSFET（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。
电力半导体器分类 不可控器件:不能用控制信号来控制其通断,因此不需要驱动电路,此类器件只有整流作用,包括普通功
绝缘栅型场效应管（IGFET）：栅极-源极，栅极-漏极之间采用SiO2绝缘层隔离，因此而得名。又因栅极为金属 铝，所以又称为金属氧化物半导体场效应管，也就是MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）
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1.IGBT 简化等效电路
制 换 流 关 断 控 制 电 路 简 抗高、控制功
使 控 制 电 路 化 。 但 它 们 率小、驱动电
非常复杂
共 同 存 在 驱 路简单 ， 但是
动电流大、 导通电阻大，
功耗损失
不耐高压
;.
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历史产品比较 产品
特点
SCR
功率容量大, 目前的水平已达到7000V / 8000A。但缺点是开关速度低, 关断不可控、
率二极管、快恢复二极管和、肖特基二极管。 半控型器件:控制导通不能控制关断。它包括普通晶闸管及其派生的特殊器件,如逆导晶闸管等。 全控型器件:控制其导通、关断,又称为自关断器件。例：双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、
电站igbt原理动画演示
电站igbt原理动画演示随着能源需求的增长和环境意识的提高，电站作为重要的能源供应系统，扮演着至关重要的角色。
在电站中，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种关键的功率开关设备，它在电站的运行中起着重要的作用。
本文将通过动画演示的方式，解释电站IGBT原理，帮助读者更好地理解其工作机制。
1. IGBT简介IGBT是一种功率半导体器件，它结合了MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）和双极型晶体管（BJT）的优点。
通过共享MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降，IGBT能够在高电压和高电流条件下实现低开关损耗和高效率。
因此，在电站中，IGBT被广泛应用于逆变器、充电器和直流输电系统等关键设备。
2. IGBT的工作原理IGBT由四个不同的区域组成：N型导电区（n+），P型底区（p-），N型栅极区（n-），以及P型互补区（p+）。
在无外部电压作用下，IGBT处于关闭状态。
当正向电压施加于集电极和发射极之间，电子从N+区注入，使P-区的空穴得到填充。
此时，N-栅极区产生高浓度的电子，形成导电通道，以减小绝缘栅极阻抗。
3. IGBT的开启为了将IGBT从关闭状态切换到导通状态，需要施加一个足够的正向电压。
当正向电压施加到集电极和发射极上时，电子开始注入P-区，从而创建一个电流通路。
同时，通过施加一定的栅极电压来激活栅极，进一步减小绝缘栅极阻抗，使电流更容易通过。
4. IGBT的关断当需要关闭IGBT时，需要将正向电压移除，并施加一个反向电压。
在这种情况下，集电极和发射极之间的注入电流停止，IGBT返回到关闭状态。
5. 电站IGBT应用示例在电站中，IGBT被广泛应用于逆变器和整流器中。
以逆变器为例，它将直流电源转换为交流电源，以满足电网需求。
IGBT作为逆变器的核心组件，能够有效地控制电流和电压的转换过程，实现高效、可靠的能源转换。
6. 动画演示为了更好地理解电站IGBT的工作原理，以下是一段动画演示：(动画演示开始)首先，我们看到一个闭合的电路，包括电源、IGBT、负载和控制电路。
简单易懂的IGBT工作原理分析
简单易懂的IGBT工作原理分析IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor简称，叫绝缘栅双极型晶体管，主要由双极型三极管及绝缘扇形场效应管组合的半导体器件。
对于IGBT工作原理许多人还相对模糊，IGBT属于非通即断式开关。
IGBT具有MOSFET及GTR两者的高输阻抗低通压降的优点。
IGBT模块内部结构图别看IGBT读起来很高大上的感觉，其实它就是一个不是连通就是阻断的开关。
而控制着它的开关功能就是栅源极电压。
栅源极电压是如何控制的呢?当栅源极电压加上12V时，则会导通IGBT，而当栅源极电压为0或者加的是负压时，则断开IGBT，需注意的是，如果加的是负压，则此时的关断为可靠关断。
IGBT本身并不会放大电压。
那么为何IGBT 能够通过加压方式导通与关断呢?IGBT工作特性IGBT本身有三个端口，其中G\S两端加压后，身为半导体的IGBT 能够将内部的电子转移，让原本中性的半导体变为具备导电功能，转移的电子具有导电功能。
而当电压被撤离之后，因加压后由电子形成的导电沟道则会消失，此时就有会变成绝缘体。
IGBT等效电路图如果用简要的电路图做分析的话，那么如上图，当IGBT的栅极及发射极加上正电压，那么兼容MOSFET的IIGBT就会导通，当IGBT 导通后，晶体管两极(集电极、基极)会形成低阻状态，此时晶体管可导通;当IGBT的两极无电压，则MOSFET就会停止导通，晶体管得不到电流供给则晶体管随之停止导通。
IGBT并不是加入电压后即可正常工作，当加在IGBT上的电压过低，IGBT不仅无法正常工作，还可能导致功能的不稳定。
而如果电压高于两极之间的耐压值，IGBT则会损坏且不可修复。
本文由今日头条作者|舒晓原创，喜欢的请点赞收藏~谢谢支持！。
IGBT驱动电路分析35页PPT
Norbert Pluschke 07.10.2005
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Semikron Hong Kong
Gate charge
The power supply or the transformer must provide the energy (Semikron is using pulse transformer for the power supply, we must consider the transformed average power from the transformer)
SPT Technology needs moreቤተ መጻሕፍቲ ባይዱGate charge compared to Trench Technology
Driver has to provide a higher Gate charge
Difference between Trench- and SPT Technology
gate driver is
VGG+ = +15V VGG- = -8V
QG = 1390nC
-8 1390
Determination of Gate Charge
Norbert Pluschke 07.10.2005
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Semikron Hong Kong
Semikron Hong Kong
Calculation of average current:
How to find the right gate resistor ?
Norbert Pluschke 07.10.2005
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Semikron Hong Kong
IGBT开关电路原理和电路图
IGBT开关电路原理和电路图IGBT开关电路原理和电路图作者：微叶科技时间：2015-05-15 14:56在开关稳压电源中，开关电路是其核心部分，它是由功率开关管、二极管、电感器和电容器等组成的。
功率开关管可以是半导体功率三极管，也可以是MOSFET、SCR、IGBT、集成稳压器等。
本文以IGBT 为例说明其在开关电源中的应用。
根据功率开关管在输入和输出之间的位置，基本开关电路可分为串联开关电路、并联开关电路和串—并联开关电路等几种。
下面分别予以论述。
1.1 串联开关电路串联开关电路也叫降压开关电路或Buck 电路。
串联开关电路的原理图和等效电路图如图1-l(a)、(b)所示。
图1-1 串联开关电路的原理图和等效电路图由图1-l(a)可以看出，串联开关电路由功率开关管V1 (IGBT)、续流二极管V2、电感L和电容C组成，Vl受占空比为0的脉冲的控制，交替导通或关断，再经L和C组成的滤波器，在负载R上得到直流输出电压Uo，从而完成将脉动的直流输入电压Vcc变换成平滑直流输出电压Uo的功能。
采用图1-l(b)所示的等效电路图来分析串联开关电路的稳态工作过程。
功率开关管VI用一开关S来代替。
当开关S处于位置l（闭合）时，表示Vl处于导通状态；当开关 S处于位置 2（断开）时，表示Vl 处于关断状态。
开关管VI处于导通和关断状态时的等效电路如图1-2所示。
图1-2(a)为Vl处于导通状态时的等效电路。
输入电流ii＝iL（iL为电感电流），iL流过电感L时，在电感器达到饱和之前，电流iL线性增加，负载R 流过电流I。
，R上的电压即输出电压Uo，其极性为上正下负。
当ii>I。
时，电容C处于充电状态，而二极管V2处于反偏置状态。
图1-2(b)为Vl处于关断状态时的等效电路。
由于开关管关断，ii=0，而电感中的电流 iL不会发生突变，电感I中的磁场将改变L两端的电压UL的极性，以维持电流 iL不变。
负载R上的电压U。
深度剖析IGBT的工作原理及作用
深度剖析IGBT的工作原理及作用
本文通过等效电路分析，通俗易懂的讲解IGBT的工作原理和作用，并精简的指出了IGBT的特点。
可以说，IGBT是一个非通即断的开关，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
IGBT(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。
目前国内缺乏高质量IGBT模块，几乎全部靠进口。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)是高压开关家族中最为年轻的一位。
由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。
IGBT的工作原理和作用通俗易懂版：IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V(大于6V,一般取12V 到15V)时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。
IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
IGBT工作原理
IGBT工作原理引言：IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种高压、高电流功率开关器件，广泛应用于电力电子领域。
了解IGBT的工作原理对于电力电子工程师和研究人员来说至关重要。
本文将详细介绍IGBT的工作原理，包括结构、工作模式以及关键参数等内容。
一、IGBT的结构IGBT由三个主要部份组成：N沟道MOSFET（NMOS）、P沟道MOSFET （PMOS）和NPN型双极型晶体管（BJT）。
它的结构类似于MOSFET和BJT的结合体。
IGBT的结构如下图所示：[插入IGBT结构示意图]NMOS和PMOS形成为了IGBT的输入端，负责控制电流的流动。
BJT负责放大电流，并在输出端提供高电流能力。
这种结构使得IGBT具有低开关损耗和高电流承载能力的特点。
二、IGBT的工作模式IGBT的工作模式可以分为三个阶段：关断状态、导通状态和关断过渡状态。
1. 关断状态：当控制信号施加在IGBT的输入端时，NMOS和PMOS被驱动进入关断状态。
在关断状态下，IGBT的输入电流极小，输出电流为零。
这种状态下，IGBT的开关损耗最小。
2. 导通状态：当控制信号施加在IGBT的输入端时，NMOS和PMOS被驱动进入导通状态。
在导通状态下，IGBT的输入电流增大，输出电流也随之增大。
这种状态下，IGBT 的开关损耗较大。
3. 关断过渡状态：当从导通状态切换到关断状态时，IGBT会经历一个过渡状态。
在这个过渡状态中，输入电流和输出电流都会有所变化。
过渡状态的时间越短，IGBT的开关损耗越小。
三、IGBT的关键参数了解IGBT的关键参数对于正确选择和应用IGBT至关重要。
以下是几个重要的参数：1. 额定电压（Vce）：IGBT能够承受的最大电压。
在设计电路时，应确保电压不超过IGBT的额定电压，以防止损坏。
2. 额定电流（Ic）：IGBT能够承受的最大电流。
在设计电路时，应确保电流不超过IGBT的额定电流，以防止过载。
功率半导体IGBT简介演示
VS
详细描述
根据结构的不同，IGBT可以分为平板型 和注入增强型。平板型IGBT具有较低的 通态电压降和较高的开关速度，而注入增 强型IGBT则具有较低的关断时间和较高 的安全工作区。此外，根据电流容量的不 同，IGBT可以分为小型、中型和大功率 型，以满足不同应用场景的需求。另外， 按照关断速度的不同，IGBT可以分为快 速和慢速型，其中快速型IGBT具有更快 的开关速度和更高的工作频率。
未来发展趋势
01
02
03
技术创新
随着新材料、新工艺的不 断发展，未来IGBT将朝着 更高频率、更高效率、更 低损耗的方向发展。
新能源汽车推动
随着新能源汽车市场的不 断扩大，IGBT在车载充电 器、电机控制器等领域的 市场需求将持续增长。
智能电网建设
智能电网建设将进一步推 动IGBT在智能电表、无功 补偿器等领域的应用。
新能源汽车对IGBT的需求分析
新能源汽车的快速发展对功率半导体提出了更高的要求，其中IGBT作为 关键的功率半导体器件，在新能源汽车中发挥着重要的作用。
新能源汽车中的电机控制器、充电桩和车载空调等系统都需要使用IGBT ，因此对IGBT的可靠性、效率和耐高温性能等方面有较高的要求。
随着新能源汽车市场的不断扩大，对IGBT的需求量也在逐年增加，这为 IGBT产业的发展提供了广阔的市场空间。
电流的导通和收集。
模块制造工艺
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03
04
芯片选择与排列
根据电路需求选择合适的芯片 ，并将其排列在模块的基板上
。
焊接与连接
通过焊接技术将芯片与基板连 接起来，并与其他元件进行电
气连接。
灌胶与密封
将模块灌封胶，以保护内部芯 片和其他元件免受外界环境的
IGBT驱动电路分析.ppt
Norbert Pluschke 07.10.2005
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Semikron Hong Kong
Gate charge
The power supply or the transformer must provide the energy (Semikron is using pulse transformer for the power supply, we must consider the transformed average power from the transformer)
gate driver is
VGG+ = +15V VGG- = -8V
QG = 1390nC
-8 1390
Determination of Gate Charge
Norbert Pluschke 07.10.2005
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Semikron Hong Kong
Semikron Hong Kong
Calculation of average current:
needs different gate charge
Norbert Pluschke 07.10.2005
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Semikron Hong Kong
The suitable gate driver must provide the required
Gate charge (QG) – power supply of the driver must provide the average power
needs different gate charge
Norbert Pluschke 07.10.2005
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IGBT电路工作演示稿解析
特征。饱和时，集电极、放射极间的管压降
uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很
大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临
界饱和，如iB连续增加，则为过饱和，用作开
关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降
低uCE和减小导通时的损耗。
临界区
动态分析 开关状态
❖ 由于结电容和过剩载流子的存在， 其集电极电路的变化总是之后于 基极电流的变化。
IGBT驱动电路
电路分析
❖ 整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心 局部是芯片HCPL-316J，其中由把握器(DSPTMS320F2812)产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL316J，同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号FAULT*给把握 器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输 出电路,目的是为了提高输出电流力气，匹配IGBT驱动要求。 当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电寻常，推挽电路 上管(T1)导通，下管(T2)截止， 三端稳压块LM7915输出端 加在IGBT门极(VG1)上，IGBT VCE为15V，IGBT导通。当 HCPL-316J输出端VOUT输出为低电寻常，上管(T1)截止， 下管(T1)导通，VCE为-9V，IGBT关断。以上就是IGBT的开 通关断过程。
模块的驱动电路
智能型器件IPM
❖ IPM是IGBT智能化功率模块，它将IGBT芯片、 驱动电路、疼惜电路和箝位电路等封装在一 个模块内，不但便于而且大大有利于装置的 小型化、高频化。
❖ IPM的电路图下所示： ❖ 这是个有两个IGBT组成的桥段，集射极间并
有续流二极管。
接 CPU 口
电 路
IPM
IGBT的动态特性
IGBT的结构和工作原理
IGBT的结构与工作原理图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+ 区称为源区,附于其上的电极称为源极。
N+ 区称为漏区。
器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极。
沟道在紧靠栅区边界形成。
在漏、源之间的P 型区(包括P+ 与P 一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区( Subchannel region )。
而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区( Drain injector ),它就是IGBT 特有的功能区,与漏区与亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极。
IGBT 的开关作用就是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP 晶体管提供基极电流,使IGBT 导通。
反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT 关断。
IGBT 的驱动方法与MOSFET 基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET ,所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET 的沟道形成后,从P+ 基极注入到N 一层的空穴(少子),对N 一层进行电导调制,减小N 一层的电阻,使IGBT 在高电压时,也具有低的通态电压。
2、IGBT 的工作特性1、静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性与开关特性。
IGBT 的伏安特性就是指以栅源电压Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。
输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大。
它与GTR 的输出特性相似.也可分为饱与区1 、放大区2 与击穿特性3 部分。
在截止状态下的IGBT ,正向电压由J2 结承担,反向电压由J1结承担。
如果无N+ 缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT 的某些应用范围。
IGBT 的转移特性就是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。
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场效应晶体管
功率场效应管(Power MOSFET)也叫电力场效应晶 体管，是一种单极型的电压控制器件，不但有自关 断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击 穿、安全工作区宽等特点。 功率MOSEFT的工作原理于传统的MOS器件基本相 同，当栅极加正向电压（UGS>0)时，MOSEFT内沟 道出现，形成漏极到源极的电流ID，器件导通，反 之，当栅极加反向（UGS<0)时，沟道消失，器件关 断。
IGBT的栅极驱动电路
IGBT是以GTR为主导元件、MOSEFT为驱动元件的复合结 构，所以用于功率MOSEFT的栅极驱动电路原则上也是适合 IGBT。 1）提供适当的正反向输出电压，是IGBT能可靠的开通和关 断。 2） IGBT的开关时间应综合考虑。 3） IGBT开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值， 是IGBT在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。 4） IGBT驱动电路中的电阻RG对工作性能有较大的影响。 5）驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对IGBT的保护功能。
模块的驱动电路
智能型器件IPM
IPM是IGBT智能化功率模块，它将IGBT芯片、
驱动电路、保护电路和箝位电路等封装在一 个模块内，不但便于而且大大有利于装置的 小型化、高频化。 IPM的电路图下所示： 这是个有两个IGBT组成的桥段，集射极间并有 续流二极管。
IPM 控制 输入 接 口 电 路 输出 报警 驱动电路 A B C
扩展分析电路
HCPL-316J是由Agilent公司生产的一种IGBT门极 驱动光耦合器，其内部集成集电极发射极电压欠饱 和检测电路及故障状态反馈电路，为驱动电路的可 靠工作提供了保障。其特性为：兼容CMOS/TYL电 平；光隔离，故障状态反馈；开关时间最大500ns； “软”IGBT关断；欠饱和检测及欠压锁定保护；过 流保护功能；宽工作电压范围(15～30V)；用户可 配置自动复位、自动关闭。 DSP与该耦合器结合实 现IGBT的驱动，使得IGBT VCE欠饱和检测结构紧 凑，低成本且易于实现，同时满足了宽范围的安全 与调节需要 。
IGBT驱动电路
电路分析
整个电路板的作用相当于一个光耦隔离放大电路。它的核心 部分是芯片HCPL-316J，其中由控制器(DSPTMS320F2812)产生XPWM1及XCLEAR*信号输出给HCPL316J，同时HCPL-316J产生的IGBT故障信号FAULT*给控制 器。同时在芯片的输出端接了由NPN和PNP组成的推挽式输 出电路,目的是为了提高输出电流能力，匹配IGBT驱动要求。
动态状态 开关状态
动态特性主要描述输 入量与输出量之间的时 间关系，它影响器件的 开关过程。由于该器件 为单极型，靠多数载流 子导电，因此开关速度 快、时间短，一般在纳 秒数量级。
安全工作区
1、 正向偏置安全工作区 正向偏置安全工作区，它是由最大漏源电压极 限线I、最大漏极电流极限线Ⅱ、漏源通态电阻线Ⅲ 和最大功耗限制线Ⅳ，4条边界极限所包围的区域。 2、 开关安全工作区 开关安全工作区为器件工作的极限范围。它是 由最大峰值电流IDM、最小漏极击穿电压BUDS和最大 结温TJM决定的，超出该区域，器件将损坏。
当HCPL-316J输出端VOUT输出为高电平时，推挽电路 上管(T1)导通，下管(T2)截止， 三端稳压块LM7915输出端 加在IGBT门极(VG1)上，IGBT VCE为15V，IGBT导通。当 HCPL-316J输出端VOUT输出为低电平时，上管(T1)截止， 下管(T1)导通，VCE为-9V，IGBT关断。以上就是IGBT的开 通关断过程。
二次击穿是影响GTR安全可靠工作 的一个重要因素。二次击穿是由于 集电极电压升高到一定值(未达到极 限值)时，发生雪崩效应造成的。防 止二次击穿的办法是：①应使实际 使用的工作电压比反向击穿电压低 得多。②必须有电压电流缓冲保护
以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构 成的工作区为一次击穿工作区，以 USB (二次击穿电压)与ISB (二次击穿 电流)组成的PSB (二次击穿功率)是 一个不等功率曲线。为了防止二次 击穿，要选用足够大功率的GTR， 实际使用的最高电压通常比GTR的 极限电压低很多。
临界区
动态分析 开关状态
由于结电容和过剩载流子的存在， 其集电极电路的变化总是之后于 基极电流的变化。
开通时间：ton=td+tr，td 为结电容充电引起的， tr基区电荷贮存需要时 间造成的。 关断时间：toff=ts+tf，ts 为储存时间，tf为下降 时间。
GTR的二次击穿和安全工作区
动态特性
IGBT的动态特性也称为开关特性，包括开通和关断两个 部分。 IGBT的开通延迟时间td（on）为（0.5~1.2us）。IGBT在 开通过程中大部分时间作为MOSEFT工作的，只是在集射 极电压UCE下降过程能够后期（tfv2），PNP晶体管才由放 大区转到饱和区，因而增加了一段延缓时间，使集射电压 UCE波形分成两段 tfv1和tfv2。 IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态 的过程。关断过程所需要的时间为关断时间toff。toff包括关 断延迟时间td(toff)和电流下降时间tf两部分，在tf内，集电极 电流的波形氛围两段tfi1和tfi2；tfi1对应IGBT内部MOSEFT 的关断过程，这段时间内IC下降较快； tfi2对应于IGBT内 PNP晶体管的关断过程，由于MOSEFT关断后， PNP晶 体管中的存储电荷难以迅速消除，所以在这段时间内IC下 降较慢，造成集电极电流较长的尾部时间。通常关断时间 为（0.55~1.5）us。
过电流保护
1≦ 短路保护 控制电源 低压保护 驱动电路 过电流保护 短路保护
R
CPU
控制信号 检测信号
M
R
输出 报警 控制电源
1≦
控制信号 检测信号 热敏元件 过热保护 检测温度信号 控制电源 低压保护
IPM优势
IPM设有过流和短路保护、欠电压保护、当工作不 正常时，通过驱动电路封锁IGBT的栅极信号同时发 出警报信号；过热保护是通过设置在IPM基板上的 热敏器件检测IGBT芯片温度，当温度超过额定值时， 通过驱动电路栅极信号并报警。 控制系统和IPM的接口一般采用光电耦合器隔离， 为了防止干扰产生的误动作，模块还设有干扰滤波 器。 IPM的容量主要由模块的IGBT决定的，目前IPM的 电流可达到10A~600A，电压有600V和1200V,能控 制100W到kW的电动机。
绝缘栅双极晶体管 IGBT
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，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 。 IGBT是以GTR为主导元件、 MOSEFT为驱动元件的达林顿结 构器件。
IGBT电路
工作原理 电路分析
工作原理
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝 缘栅双极型晶体管，是由GTR(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。
静态分析
输出特性即是漏极的伏安 特性。特性曲线，如图2பைடு நூலகம்b) 所示。由图所见，输出特性 分为截止、饱和与非饱和3 个区域。这里饱和、非饱和 的概念与GTR不同。饱和 是指漏极电流ID不随漏源电 压UDS的增加而增加，也就 是基本保持不变；非饱和是 指地UCS一定时，ID随UDS 增加呈线性关系变化
GTR电路分析
GTR是电流控制型器件，常用的是NPN型，其工作在正偏（IB>0）时大 电流导通；反偏（IB<0）时处于截止。因此，给GTR的基极施加幅度足 够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。
静态分析
输出特性可分为四个工作区： ① 截止区。在截止区内，iB≤0，UBE≤0， UBC＜0。Ib=0，集电极只有漏电流流过。 ② 放大区。iB ＞0， UBE ＞0，UBC＜0， iC =βiB。 ③ 饱和区。iB ＞Ics/β，UBE＞0，UBC＞0， iCS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。 ④临界饱和区。 UBE＞0， UBC＜0，Ic,Ib呈非 线性关系。 结论：两个PN结都为正向偏置是饱和的 特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降 uCE很小，相当于开关接通，这时尽管电流很 大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临 界饱和，如iB继续增加，则为过饱和，用作开 关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降 低uCE和减小导通时的损耗。
IGBT的动态特性
IGBT的动态特性
擎住效应和安全工作区
擎住效应 在IGBT内部寄生着一个晶闸管。其中VR2基 极与发射极之间存在体区短路电阻Rdr，在此电 阻在P型区的横向空穴电流会在该电阻上产生 压降，对J3结施加一个正向偏压。在规定的集 电极电流范围外，这个正向电压足以使VT2开 通，进而使VT2和VT3处于饱和状态，于是寄 生晶闸管开通，门极失去控制作用，这就是擎 住效应。 IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，造成 过高功耗，导致IGBT损坏。可见，集电极电流 有一个临界值ICM，当IC<ICM时便会产生擎住效 应。 限制ICM值，或者加大门极电阻RG可以延长 IGBT的关断时间，以减小重加duce/dt值