IGBT模塊驅(qū)動電路.doc

IGBT模塊的使用和安裝1. 簡介IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。GBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。IGBT非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。 圖1所示為一個N 溝道增強(qiáng)型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， N+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。N+ 區(qū)稱為漏區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的P 型區(qū)(包括P+ 和P 一區(qū))(溝道在該區(qū)域形成)，稱為亞溝道區(qū)( Subchannel region )。而在漏區(qū)另一側(cè)的P+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)( Drain injector )，它是IGBT 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP 雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP 晶體管提供基極電流，使IGBT 導(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT 關(guān)斷。IGBT 的驅(qū)動方法和MOSFET 基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET ，所以具有高輸入阻抗特性。當(dāng)MOSFET 的溝道形成后，從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子)，對N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N 一層的電阻，使IGBT 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。22.發(fā)展歷史1979年，MOS柵功率開關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個類晶閘管的結(jié)構(gòu)(P-N-P-N四層組成)，其特點(diǎn)是通過強(qiáng)堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。80年代初期，用于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS(雙擴(kuò)散形成的金屬-氧化物-半導(dǎo)體)工藝被采用到IGBT中來。2在那個時候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT(非穿通)型設(shè)計。后來，通過采用PT(穿通)型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個顯著改進(jìn)，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進(jìn)步，以及采用對應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計的n+緩沖層而進(jìn)展的3。幾年當(dāng)中，這種在采用PT設(shè)計的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計規(guī)則從5微米先進(jìn)到3微米。90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成(LSI)工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通(PT)型芯片結(jié)構(gòu)。4在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時間之間折衷的更重要的改進(jìn)。硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通(NPT)結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通(LPT)結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)(SOA)得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。這次從穿通(PT)型技術(shù)先進(jìn)到非穿通(NPT)型技術(shù)，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通(PT)技術(shù)會有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對少數(shù)載流子壽命進(jìn)行控制致使其輸運(yùn)效率變壞。另一方面，非穿通(NPT)技術(shù)則是基于不對少子壽命進(jìn)行殺傷而有很好的輸運(yùn)效率，不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進(jìn)而言之，非穿通(NPT)技術(shù)又被軟穿通(LPT)技術(shù)所代替，它類似于某些人所謂的“軟穿通”(SPT)或“電場截止”(FS)型技術(shù)，這使得“成本性能”的綜合效果得到進(jìn)一步改善。1996年，CSTBT(載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管)使第5代IGBT模塊得以實(shí)現(xiàn)6，它采用了弱穿通(LPT)芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進(jìn)的寬元胞間距的設(shè)計。包括一種“反向阻斷型”(逆阻型)功能或一種“反向?qū)ㄐ汀?逆導(dǎo)型)功能的IGBT器件的新概念正在進(jìn)行研究，以求得進(jìn)一步優(yōu)化。IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動，各種驅(qū)動保護(hù)電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復(fù)合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為12001800A/18003300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機(jī)車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導(dǎo)彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點(diǎn)。大電流高電壓的IGBT已模塊化，它的驅(qū)動電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外，已制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動電路。其性能更好，整機(jī)的可靠性更高及體積更小。IGBT是絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）,它是八十年代初誕生，九十年代迅速發(fā)展起來的新型復(fù)合器件。IGBT將MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好、電壓驅(qū)動型，又具有通態(tài)壓降低、高電壓、大電流的優(yōu)點(diǎn)。因此，IGBT的新技術(shù)、新工藝不斷有新的突破；應(yīng)用頻率硬開關(guān)5KHz40KHz，軟開關(guān)40KHz150KHz；功率從五千瓦到幾百千瓦的應(yīng)用場合。IGBT器件將不斷開拓新的應(yīng)用領(lǐng)域，為高效節(jié)能、節(jié)材，為新能源、自動化和智能化提供了新的機(jī)遇。為了使初次使用者正確用好IGBT模塊，最大限度地發(fā)揮IGBT模塊的作用，以下是最基本的使用說明。 依據(jù)裝置負(fù)載的工作電壓和額定電流以及使用頻率,選擇合適規(guī)格的模塊。用戶使用模塊前請詳細(xì)閱讀模塊參數(shù)數(shù)據(jù)表，了解模塊的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)；根據(jù)模塊各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)確定使用方案，計算通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，選擇相匹配的散熱器及驅(qū)動電路。3. IGBT模塊的使用1防止靜電 IGBT是靜電敏感器件，為了防止器件受靜電危害，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： IGBT模塊驅(qū)動端子上的黑色海綿是防靜電材料，用戶用接插件引線時取下防靜電材料立即插上引線；在無防靜電措施時，不要用手觸摸驅(qū)動端子。 驅(qū)動端子需要焊接時，設(shè)備或電烙鐵一定要接地。2選擇和使用 請在產(chǎn)品的最大額定值（電壓、電流、溫度等）范圍內(nèi)使用，一旦超出最大額定值，可能損壞產(chǎn)品，特別是IGBT外加超出Vces的電壓時可能發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象從而使元件損壞，請務(wù)必在Vces的額定值范圍內(nèi)使用！工作使用頻率愈高,工作電流愈?。辉从诳煽啃缘脑?，必須考慮安全系數(shù)。如果使用前需要測試請務(wù)必使用適當(dāng)?shù)臏y試設(shè)備，以免測試損壞（特別是IGBT和FRED模塊需要專業(yè)的測試設(shè)備，請勿使用非專業(yè)的設(shè)備測試其電壓的最大值）。 驅(qū)動電路：由于IGBT Vce(sat) 和短路耐量之間的折衷關(guān)系，建議將柵極電壓選為 +VG=1415V，-VG=510V，要確保在模塊的驅(qū)動端子上的驅(qū)動電壓和波形達(dá)到驅(qū)動要求； 柵極電阻Rg與IGBT 的開通和關(guān)斷特性密切相關(guān)，減小Rg值開關(guān)損耗減少，下降時間減少，關(guān)斷脈沖電壓增加；反之，柵極電阻Rg值增加時，會增加開關(guān)損耗，影響開關(guān)頻率；應(yīng)根據(jù)浪涌電壓和開關(guān)損耗間最佳折衷(與頻率有關(guān))選擇合適的Rg 值，一般選為5至100之間。為防止柵極開路，建議靠近柵極與發(fā)射極間并聯(lián)20K30K電阻。驅(qū)動布線要盡量短且采用雙絞線；在電源合閘時請先投入驅(qū)動控制部分的電源，使其驅(qū)動電路工作后再投入主電路電源。 保護(hù)電路：IGBT 模塊使用在高頻時布線電感容易產(chǎn)生尖峰電壓，必須注意減少布線電感和元件的配置，應(yīng)注意以下保護(hù)項(xiàng)目：過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、柵極過壓及欠壓保護(hù)、安全工作區(qū)、過溫保護(hù)。 吸收電路： 由于IGBT開關(guān)速度快，容易產(chǎn)生浪涌電壓，必須設(shè)有浪涌鉗位電路。 并聯(lián)使用： 應(yīng)考慮柵極電路、線路布線、電流不平衡和器件之間的溫度不平衡等問題。 使用時請避開產(chǎn)生腐蝕氣體和嚴(yán)重塵埃的場所。 安裝 散熱器應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境及模塊參數(shù)進(jìn)行匹配選擇，以保證模塊工作時對散熱器的要求。 散熱器表面的光潔度應(yīng)小于10mm，每個螺絲之間的平面扭曲小于10mm。為了減少接觸熱阻，推薦在散熱器與模塊之間涂上一層很薄的導(dǎo)熱硅脂，模塊均勻受力后,從模塊邊緣可看出有少許導(dǎo)熱硅脂擠出為最佳。 模塊安裝在散熱器上時，螺釘需用說明書中給出的力矩擰緊。力矩不足導(dǎo)致熱阻增4.IGBT模塊IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(絕緣柵雙極型晶體管)的縮寫，IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動功率小和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。 IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOS 截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。IGBT與MOSFET一樣也是電壓控制型器件，在它的柵極發(fā)射極間施加十幾V的直流電壓，只有在uA級的漏電流流過，基本上不消耗功率。1. IGBT的等效電路2 IGBT模塊的選擇 IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降等使用。3 使用中的注意事項(xiàng) 由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到2030V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)：在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸； 在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊； 盡量在底板良好接地的情況下操作。 在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也可以抑制振蕩電壓。 此外，在柵極發(fā)射極間開路時，若在集電極與發(fā)射極間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于集電極有漏電流流過，柵極電位升高，集電極則有電流流過。這時，如果集電極與發(fā)射極間存在高電壓，則有可能使IGBT發(fā)熱及至損壞。 在使用IGBT的場合，當(dāng)柵極回路不正?；驏艠O回路損壞時(柵極處于開路狀態(tài))，若在主回路上加上電壓，則IGBT就會損壞，為防止此類故障，應(yīng)在柵極與發(fā)射極之間串接一只10K左右的電阻。 在安裝或更換IGBT模塊時，應(yīng)十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態(tài)和擰緊程度。為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風(fēng)扇，當(dāng)散熱風(fēng)扇損壞中散熱片散熱不良時將導(dǎo)致IGBT模塊發(fā)熱，而發(fā)生故障。因此對散熱風(fēng)扇應(yīng)定期進(jìn)行檢查，一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應(yīng)器，當(dāng)溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。4 保管時的注意事項(xiàng)一般保存IGBT模塊的場所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為535 ，常濕的規(guī)定在4575左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機(jī)加濕; 盡量遠(yuǎn)離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合； 在溫度發(fā)生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。 5.選擇方法5.1選擇IGBT模塊的電壓規(guī)格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關(guān)。其相互關(guān)系見下表。使用中當(dāng)IGBT模塊集電極電流增大時，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。同時，開關(guān)損耗增大，使原件發(fā)熱加劇，因此，選用IGBT模塊時額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時應(yīng)該降等使用。5.2 測量靜態(tài)測量:把萬用表放在乘100檔,測量黑表筆接1端子、紅表筆接2端子,顯示電阻應(yīng)為無窮大; 表筆對調(diào),顯示電阻應(yīng)在400歐左右.用同樣的方法,測量黑表筆接3端子、紅表筆接1端子, 顯示電阻應(yīng)為無窮大;表筆對調(diào),顯示電阻應(yīng)在400歐左右.若符合上述情況表明此IGBT的兩個單元沒有明顯的故障.動態(tài)測試: 把萬用表的檔位放在乘10K檔,用黑表筆接4端子,紅表筆接5端子,此時黑表筆接3端子紅表筆接1端子, 此時電阻應(yīng)為300-400毆,把表筆對調(diào)也有大約300-400毆的電阻表明此IGBT單元是完好的. 用同樣的方法測試1、2端子間的IGBT,若符合上述的情況表明該IGBT也是完好的。將萬用表撥在R10K擋，用黑表筆接IGBT 的漏極(D)，紅表筆接IGBT 的源極(S)，此時萬用表的指針指在無窮處。用手指同時觸及一下柵極(G)和漏極(D)，這時IGBT 被觸發(fā)導(dǎo)通，萬用表的指針擺向阻值 較小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同時觸及一下源極(S)和柵極(G)，這時IGBT 被阻 斷，萬用表的指針回到無窮處。此時即可判斷IGBT 是好的。注意：若進(jìn)第二次測量時，應(yīng)短接一下源極(S)和柵極(G)。任何指針式萬用表皆可用于檢測IGBT。注意判斷IGBT 好壞時，一定要將萬用表撥在R10K擋，因R1K 擋以下各檔萬用表內(nèi)部電池電壓太低，檢測好壞時不能使IGBT 導(dǎo)通，而無法判斷IGBT 的好壞。5.3注意事項(xiàng)由于IGBT模塊為MOSFET結(jié)構(gòu)，IGBT的柵極通過一層氧化膜與發(fā)射極實(shí)現(xiàn)電隔離。由于此氧化膜很薄，其擊穿電壓一般達(dá)到2030V。因此因靜電而導(dǎo)致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點(diǎn)： 在使用模塊時，盡量不要用手觸摸驅(qū)動端子部分，當(dāng)必須要觸摸模塊端子時，要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進(jìn)行放電后，再觸摸;在用導(dǎo)電材料連接模塊驅(qū)動端子時，在配線未接好之前請先不要接上模塊;盡量在底板良好接地的情況下操作。在應(yīng)用中有時雖然保證了柵極驅(qū)動電壓沒有超過柵極最大額定電壓，但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合，也會產(chǎn)生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此，通常采用雙絞線來傳送驅(qū)動信號，以減少寄生電感。在柵極連線中串聯(lián)小電阻也