igbt工作原理及應(yīng)用

igbt工作原理及應(yīng)用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的保護(hù)引言絕緣柵雙極型晶體管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,因此,可以把其看作是MOS輸入的達(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的長(zhǎng)處,既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)樸和迅速的長(zhǎng)處,又具有雙極型器件容量大的長(zhǎng)處,因而,在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在中大功率的開(kāi)關(guān)電源裝置中,IGBT由于其控制驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)樸、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn),已逐漸取代晶閘管或GTO。不過(guò)在開(kāi)關(guān)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(jí),由于受電網(wǎng)波動(dòng)、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大,故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而,在選擇IGBT時(shí)除了要作降額考慮外,對(duì)IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)也是電源設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)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(qū)動(dòng)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MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供應(yīng),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(guò)IGBT集電極－發(fā)射極的電流;——IGBT的結(jié)溫。假如IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,假如過(guò)高超過(guò)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(guò)集電極－發(fā)射極之間的耐壓,流過(guò)IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過(guò)集電極－發(fā)射極容許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過(guò)其結(jié)溫的容許值,IGBT都也許會(huì)永久性損壞。2保護(hù)措施在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)針對(duì)影響IGBT可靠性的原因,有的放矢地采用對(duì)應(yīng)的保護(hù)措施。2．1IGBT柵極的保護(hù)IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)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(guò)保證值的電壓,則也許會(huì)損壞IGBT,因此,在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵壓限幅電路。此外,若IGBT的柵極與發(fā)射極間開(kāi)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(guò)。這時(shí)若集電極和發(fā)射極間處在高壓狀態(tài)時(shí),也許會(huì)使IGBT發(fā)熱甚至損壞。假如設(shè)備在運(yùn)送或振動(dòng)過(guò)程中使得柵極回路斷開(kāi),在不被察覺(jué)的狀況下給主電路加上電壓,則IGBT就也許會(huì)損壞。為防止此類狀況發(fā)生,應(yīng)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(yīng)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(fù)合體,尤其是其柵極為MOS構(gòu)造,因此除了上述應(yīng)有的保護(hù)之外,就像其他MOS構(gòu)造器件同樣,IGBT對(duì)于靜電壓也是十分敏感的,故而對(duì)IGBT進(jìn)行裝配焊接作業(yè)時(shí)也必須注意如下事項(xiàng)：——在需要用手接觸IGBT前,應(yīng)先將人體上的靜電放電后再進(jìn)行操作,并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動(dòng)端子部分,必須接觸時(shí)要保證此時(shí)人體上所帶的靜電已所有放掉;——在焊接作業(yè)時(shí),為了防止靜電也許損壞IGBT,焊機(jī)一定要可靠地接地。IGBT在不間斷電源的應(yīng)用.2．2集電極與發(fā)射極間的過(guò)壓保護(hù)過(guò)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(guò)高,另一種為集電極－發(fā)射極上的浪涌電壓過(guò)高。2.2.1直流過(guò)電壓直流過(guò)壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級(jí)輸入發(fā)生異常所致。處理的措施是在選用IGBT時(shí),進(jìn)行降額設(shè)計(jì);此外,可在檢測(cè)出這一過(guò)壓時(shí)分?jǐn)郔GBT的輸入,保證IGBT的安全。2.2.2浪涌電壓的保護(hù)由于電路中分布電感的存在,加之IGBT的開(kāi)關(guān)速度較高,當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時(shí),就會(huì)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(guò)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(shí)考慮設(shè)計(jì)裕量;——在電路設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整IGBT驅(qū)動(dòng)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(hù)電路,旁路高頻浪涌電壓。由于緩沖保護(hù)電路對(duì)IGBT的安全工作起著很重要的作用,在此將緩沖保護(hù)電路的類型和特點(diǎn)作一簡(jiǎn)介。—C緩沖電路如圖4(a)所示,采用薄膜電容,靠近IGBT安裝,其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)樸,其缺陷是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成LC諧振電路,易產(chǎn)生電壓振蕩,并且IGBT開(kāi)通時(shí)集電極電流較大?！猂C緩沖電路如圖4(b)所示,其特點(diǎn)是適合于斬波電路,但在使用大容量IGBT時(shí),必須使緩沖電阻值增大,否則,開(kāi)通時(shí)集電極電流過(guò)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(diǎn)是,增長(zhǎng)了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大,避開(kāi)了開(kāi)通時(shí)IGBT功能受阻的問(wèn)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(guān)斷時(shí)的集電極電流;f為IGBT的開(kāi)關(guān)頻率;C為緩沖電容;Ud為直流電壓值。——放電制止型緩沖電路如圖4(d)所示,與RC