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IGBT技术资料_IGBT管性能和应用讲座 功率场效应管MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点;但是，较大的通态电阻使它的最大导通电流容量受到限制. 因此MOSFET只能用作中小功率开关元件。而GTR和GTO是双极型元件，它们具有阻断电压高、导通电流大的优点，但是，它们的开关速度慢，要求的驱动电流大.控制电路比较复杂。显然，这些开关器件各有优缺点。而其中MOSFET在GTR的不足之处表现得很优秀，在GTR优秀的地方却表现得有些不足。于是人们开始研究一种能同时包含MOSFET和GTR的优点的新型开关元件，这就是绝缘栅双圾晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)。 绝缘栅双级晶体管是由MOSFET和GTR技术结合而成的复合型开关器件。图2—24是N沟谊IGBT的等效电路和符号。从图2—24
(a)中可以看出.它是 由一个N沟道的MOSFET和一个PNP型GTR组成，它实际是以GTR为主导元件，以MOSFET为驱动元件的复合管。图2—24(b)的符号中，G代表栅极，C代表集电极，E代表发射极，P沟道的IGBT符号的箭头方向与此相反。 绝缘栅双极晶体管从1986年至今，发展得非常迅速、日前已经被广泛的应用于各种逆变器中，成为取代GTR的理想开关器件。 一.绝缘栅双极晶体管的特性和参数 绝缘栅双极晶体管的输出特性类似于GTR的输出特性，绝缘栅双极晶体管的转移特性类似于MOSFET的转移特性，这里不再叙述。 1.通态电压降 图2—25为高速IGBBT(50A/600 V)和高速MOSFET(50 A/500V)的通态电压降比较。MOSFET的通态电压降在全电流范围内为正温度系数、而IGBT通态电压降在小电流范围内为负温度系数，在大电流范围内为正温度系数。 2.关断损耗 图2—26是在感性负载时，高速IGBT与MOsFET的关断损耗与集电极电流的关系。由图可知*常温下，IGBT的关断损耗与MOSFET的大致相同。高温时，MOSFET的关断损耗基本不变，与温度无关，而IGBT则不然，温度每增加100℃，损耗增大约2倍。因此，IGBT的关断损耗要大些。
3.开通损耗 在电动机的驱动电路系统中，要接人续流二极管，而续流二极管的反向恢复特性将影响IGBT的开通损耗，使用快速恢复二极管将降低IGBT的开通损耗。图2—27是IGBT与MOSFET的开通损耗比较。 4.安全工作区 (1)擎住效应 IGBT为四层结构.这使其体内存在一个寄生晶体管,其等效电路如图2-28所示 同时，在这个寄生晶体管的基极与发射极之间并联—个扩展电阻Rb 当IGBT的集电极与发射极之间有电流Ic流过时，在此电阻上将产生正向偏置电压。不过.在规定的IGBT集电极电流Ic范围内，这个正向偏置电压不大，对寄生晶体管不起作用。但当集电极电流Ic达到一定程度的时候.该正向偏置电压足以使寄生晶体管导通，进而使V2和V3都处于饱和状态.栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流Ic增大.造成过大 的功耗，导致器件损坏。可见，集电极电流有一个临界值Icm，当Ic>Icm时.便会发生擎住效应。为此规定了集电极通态电流的最大佰Icm·以及相应的栅射极间电压的最大值Vcem 超过此界限将发生擎住效应。 在IGBT关断的动态过程中，如果dVce/dt过高，产生的位移电流流过扩展电阻Rhr时，也可以产生足以使寄生晶体管导通的正向偏置电压，形成擎住效应。为了防止擎住现象的发生，使用时要保证IGBT的电流不要超过Icm值，同时，用增加栅极电阻Rg的方法来延长IGBT的关断时间，以减小dVce/dt值。 值得指出的是，动态擎住所允许的集电极电流比静态擎住所允许的要小，所以生产厂商所规定的Icm值是按动态擎住所允许的最大集电极电流来确定的。 2)安全工作区 安全工作区反映了—个开关器件同时承受一定电压和电流的能力.IGBT导通时的正向偏置安全工作区，是由集电极电流的最大值Icm 集射极电压的最大值Vcem和功耗3条边界极限包围而成的，如图2—29(a)所示。 最大集电极电流Icm限制了动态擎住现象的发生;最大集射极电压Vcem限制了IGBT被正向电压击穿，最大功耗则是由最高允许结温所决定，导通时间越长，发热越严重，安全工作区就越小， 图2—29(b)是IGBT关断时的反向偏置安全工作区。它随IGBT关断时的dVce/dt而改变，dVce/dt越高、安全工作区就越小。 表2—4列出了东芝和IXYS公司生产的某种IGBT产品的参数。
二 IGBT管的驱动要求 1.对栅极的驱动要求 IGBT的栅极驱动条件关系到他的静态特性和动太特性,一切都围绕着开关时 间、减小开关损耗、保证电路可靠的工作为目标。因此.对IGBT的栅极驱动电路提出如下 要求。 ①IGBT与MOSFET都是电压型驱动开关器件.部具有一个2.5—5v的开栅门槛电 压，有—个电容性输入阻抗，因此，IGBT对栅极电荷聚集非常敏感。所以，驱动电路必须很可 靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路.即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。 ②用内阻小的驱动源对栅极电容充、放电，以保证栅极控制电压Vge有足够陡的的前、后 沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后.栅极驱动源应能提供足够的功率，使 IGBT不会中途退出饱和而损坏。 ③驱动电路要能提供高频(几十kHz)脉冲信号，来利用IGBT的高频性能。 ④栅极驱动电压必须要综合考虑。在开通过程中，正向驱动电压Vce越大，IGBT通态压 降和开通损耗均下降，但负载短路时的电流Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其 安全不利。因此，在有短路过程的应用系统中，栅极驱动电压应选得小些，一般情况下应取 12—15V。 在关断过程中，为了尽快放掉输入电容的电荷.加快关断过程，减小关断损耗，要对栅极施 加反向电压一Vge。但它受IGBT栅射极最大反向耐压的限制，所以一般的原则是：对小容量 的IG8T不加反向电压也能工作;对中容量的IGBT加5—6v的反向电压;对大容量的IGBT 要加大到10 V左右。 ⑤在大电感的负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dz所形成的尖峰电压，确 保IGB了的安全。 ⑥由于IGBT多用于高压场合，所以驱动电路与控制电路一定要严格隔离. ⑦栅极驱动电路应尽可能简单可靠，具有IGBT的自保护功能，并有较强的抗干扰 能力。 ⑧栅极电阻RG可选用IGBT产品说明书上给定的数值;但当IGBT的容量加大时，分布 电感产生的浪涌电压与二极管恢复时的振荡电压增大，这将使栅极产生误动作，因此必须选用 较大的电阻，尽管这样做会增大损耗。 2.IGBT专用驱动集成电路 原则上IGBT的驱动特性与MOSFET的几乎相同，但由于两者使用的范围不同，IG8T多用于大中功率，而MOSFET多用于中小功率，所以它们的驱动电路也有差异。IGBT一般使用专用集成驱动器，它们集驱动和保护为一体。常用的专用集成电路有：富士公司的EXB840、841、850、85l系列;IR公司的IR2l00系列;MOTOROLA公司的MC35158;Uni-trode公司的UC3714、3715;三菱公司的M57957——M57963系列。下面以富士公司的EXB840和三菱公司的M57962D为例，介绍IGBT的栅极驱动电路。 (1)EXB840组成的驱动电路 EXB840是一种高速驱动集成电路.最高使用频率为40KHz.能驱动150A/600V或者75A/1200V的IGBT，驱动电路信号延迟小于1.5us。采用单电源20V供电。 EXB840的功能框图如图2—30所示。它主要由输入隔离电路、驱功放大电路、过流检测及保护电路以及电源电路组成。其中输入隔离电路是由高速光电耦合器组成，可隔离交流2500V的信号。过流检测及保护电路根据IGBT栅极驱动电平和集电极电压之间的关系，检测是否有过流现象存在。如果有过流，保护电路将慢速关断IGBT，以防止过快地关断时而引起因电路中电感产生的感应电动势升高，使IGBT集电极电压过高而损坏IGBT。电源电路将20V外部供电电源变成+15V的开栅电压和-5V的关栅电压。
EXB840的引脚定义如下：引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容;引脚2和引脚9分别是电源和地;引脚3为驱动输出;引脚4用于连接外部电容器，以防止过流保护误动作(一般场合不需要这个电容);引脚5为过流保护输出;引脚6为IGBTT集电极电压监视端;引脚14和引脚15为驱动信号输入端;其余引脚不用。 采用EXB840集成电路驱动IGBT的典型应用电路如图2—3l所示。其ERA34—10是快速恢复二极管。IGBT的栅极驱动连线应该用双绞线，其长度应小1m，以防止干扰。如果IGBT的集电极产生大的电压脉冲.可增加IGBT的栅极电阻阻值RG。
(2)M57962L组成的驱动电路 M57962L与EXB840的原理非常相似。它的最高使用频率为20kH z，能驱动400A/600V或者200A/1400V的IGBT。驱动电路信号延迟小于1.5us.采用+15V和-10V双电源供电。 M57962L的工作原理团如图2—32所示。与EXB840不同的是它的保护电路。IGBT能承受短路的时间小于l0us.因此短路保护应在l0us内完成。M57962L采用了快速保护的措施。当它检测到IGBT的栅极电压和集电极电压同时为高电平时，就认为负载短路存在，立即降低栅极驱动电压，并从8脚输出故障信号，这一过程用2.6us的时间。经过1—2ms的延时后，如果保护电路输入信号恢复低电平.则保护电路就自动复位到正常状态。
M57962L的引脚定义如下：引脚l是保护电路对IGBT集电极检测输入端;引脚4和引脚6分别是+15v和-10v电源输入端;引脚5是驱动输出端;引脚8是故障状态输出端;引脚13和引脚14是驱动信号输入端;其余引脚不用。 采用M57962L集成电路驱动IGBT的典型应用电路如图2—33所示。其中D1是快速恢复二极管，要求恢复时间小于0.2us。对于驱动高压的IGBT，Dl的恢复时间可能较长，则引脚1承受的电压就高，因此在引脚l和引脚6之间加一只稳压管，进行嵌位保护。需要注意的是,在M57962L的电源接通和断开的过程中，在电源稳定之前，M57962L都会在引脚8输出放随信号。另外，M57962L的引脚2、3、7、9、10是测试引脚，使用时不要接线。
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