igbt工作原理及應用

igbt工作原理及應用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的保護引言絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,因此,可以把其看作是MOS輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的長處,既具有MOSFET器件驅動簡樸和迅速的長處,又具有雙極型器件容量大的長處,因而,在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。在中大功率的開關電源裝置中,IGBT由于其控制驅動電路簡樸、工作頻率較高、容量較大的特點,已逐漸取代晶閘管或GTO。不過在開關電源裝置中,由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它輕易損壞,此外,電源作為系統(tǒng)的前級,由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大,故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性。因而,在選擇IGBT時除了要作降額考慮外,對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一種環(huán)節(jié)。1IGBT的工作原理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)射極之間加上驅動正電壓,則MOSFET導通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供應,使得晶體管截止由此可知,IGBT的安全可靠與否重要由如下原因決定：——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;——流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流;——IGBT的結溫。假如IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅動電壓過低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,假如過高超過柵極－發(fā)射極之間的耐壓則IGBT也許永久性損壞;同樣,假如加在IGBT集電極與發(fā)射極容許的電壓超過集電極－發(fā)射極之間的耐壓,流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過集電極－發(fā)射極容許的最大電流,IGBT的結溫超過其結溫的容許值,IGBT都也許會永久性損壞。2保護措施在進行電路設計時,應針對影響IGBT可靠性的原因,有的放矢地采用對應的保護措施。2．1IGBT柵極的保護IGBT的柵極－發(fā)射極驅動電壓VGE的保證值為±20V,假如在它的柵極與發(fā)射極之間加上超過保證值的電壓,則也許會損壞IGBT,因此,在IGBT的驅動電路中應當設置柵壓限幅電路。此外,若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓,則伴隨集電極電位的變化,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極－發(fā)射極有電流流過。這時若集電極和發(fā)射極間處在高壓狀態(tài)時,也許會使IGBT發(fā)熱甚至損壞。假如設備在運送或振動過程中使得柵極回路斷開,在不被察覺的狀況下給主電路加上電壓,則IGBT就也許會損壞。為防止此類狀況發(fā)生,應在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十kΩ的電阻,此電阻應盡量靠近柵極與發(fā)射極。如圖2所示。由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體,尤其是其柵極為MOS構造,因此除了上述應有的保護之外,就像其他MOS構造器件同樣,IGBT對于靜電壓也是十分敏感的,故而對IGBT進行裝配焊接作業(yè)時也必須注意如下事項：——在需要用手接觸IGBT前,應先將人體上的靜電放電后再進行操作,并盡量不要接觸模塊的驅動端子部分,必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已所有放掉;——在焊接作業(yè)時,為了防止靜電也許損壞IGBT,焊機一定要可靠地接地。IGBT在不間斷電源的應用.2．2集電極與發(fā)射極間的過壓保護過電壓的產(chǎn)生重要有兩種狀況,一種是施加到IGBT集電極－發(fā)射極間的直流電壓過高,另一種為集電極－發(fā)射極上的浪涌電壓過高。2.2.1直流過電壓直流過壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發(fā)生異常所致。處理的措施是在選用IGBT時,進行降額設計;此外,可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入,保證IGBT的安全。2.2.2浪涌電壓的保護由于電路中分布電感的存在,加之IGBT的開關速度較高,當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時,就會產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt,威脅IGBT的安全。一般IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示。圖中：vCE為IGBT?電極－發(fā)射極間的電壓波形;ic為IGBT的集電極電流;Ud為輸入IGBT的直流電壓;VCESP=Ud＋Ldic/dt,為浪涌電壓峰值。假如VCESP超過IGBT的集電極－發(fā)射極間耐壓值VCES,就也許損壞IGBT。處理的措施重要有：——在選用IGBT時考慮設計裕量;——在電路設計時調整IGBT驅動電路的Rg,使di/dt盡量小;——盡量將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;——根據(jù)狀況加裝緩沖保護電路,旁路高頻浪涌電壓。由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用,在此將緩沖保護電路的類型和特點作一簡介?！狢緩沖電路如圖4(a)所示,采用薄膜電容,靠近IGBT安裝,其特點是電路簡樸,其缺陷是由分布電感及緩沖電容構成LC諧振電路,易產(chǎn)生電壓振蕩,并且IGBT開通時集電極電流較大。——RC緩沖電路如圖4(b)所示,其特點是適合于斬波電路,但在使用大容量IGBT時,必須使緩沖電阻值增大,否則,開通時集電極電流過大,使IGBT功能受到一定限制?！猂CD緩沖電路如圖4(c)所示,與RC緩沖電路相比其特點是,增長了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大,避開了開通時IGBT功能受阻的問題。該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗為P=LI2f＋CUd2f式中：L為主電路中的分布電感;I為IGBT關斷時的集電極電流;f為IGBT的開關頻率;C為緩沖電容;Ud為直流電壓值?！烹娭浦剐途彌_電路如圖4(d)所示,與RC