电力电子半导体器件IGBTppt课件

第七章第七章 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 （IGBT)IGBT)7.1 7.1 原理与特性原理与特性一、概述一、概述 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 近年来出现了许多新型复合器件，它们将前述单极型和双近年来出现了许多新型复合器件，它们将前述单极型和双极性器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，极性器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快应用很广，已成为当前电力受电流大等优点，因而发展很快应用很广，已成为当前电力半导体器件发展的重要方向。半导体器件发展的重要方向。其中尤以绝缘栅双极晶体管其中尤以绝缘栅双极晶体管(1GBT)最为突出，在各个领域最为突出，在各个领域中有取代前述全控型器件的趋势。中有取代前述全控型器件的趋势。IGBTIGT），），1982年研制，第一代于年研制，第一代于1985年生产，主要年生产，主要特点是低损耗，导通压降为特点是低损耗，导通压降为3V，下降时间，下降时间0.5us，耐压，耐压500600V，电流，电流25A。第二代于第二代于1989年生产，有高速开关型和低通态压降型，容年生产，有高速开关型和低通态压降型，容量为量为400A/5001400V，工作频率达，工作频率达20KHZ。目前第三代正在。目前第三代正在发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另发展，仍然分为两个方向，一是追求损耗更低和速度更高；另一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达一方面是发展更大容量，采用平板压接工艺，容量达1000A，4500V；命名为；命名为IEGTInjection Enhanced Gate Transistor)二二、工作原理：、工作原理：IGBT是在功率是在功率MOSFET的基础上发展起的基础上发展起来的，两者结构十分类似，来的，两者结构十分类似，不同之处是不同之处是IGBT多一个多一个P+层发射极，可形成层发射极，可形成PN结结J1，并由此引出漏极；，并由此引出漏极；门极和源极与门极和源极与MOSFET相相类似。类似。1分类：分类：按缓冲区有无分为：按缓冲区有无分为：非对称型非对称型IGBT：有缓冲区：有缓冲区N+，穿通型，穿通型IGBT；由于由于N+区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间区存在，反向阻断能力弱，但正向压降低，关断时间短，关断时尾部电流小。短，关断时尾部电流小。对称型对称型IGBT：无缓冲区：无缓冲区N+，非穿通型，非穿通型IGBT；具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型具有正、反向阻断能力，其他特性较非对称型IGBT差。差。按沟道类型：按沟道类型：N沟道沟道IGBTP沟道沟道IGBT2开通和关断原理：开通和关断原理：IGBT的开通和关断是由门极的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压电压来控制的。门极施以正电压时，时，MOSFET内形成沟道，并为内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而晶体管提供基极电流，从而使使IGBT导通。在门极上施以负电导通。在门极上施以负电压时，压时，MOSFET内的沟道消失，内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。即为关断。VDSVDS为负时：为负时：J3J3结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。结处于反偏状态，器件呈反向阻断状态。VDSVDS为正时：为正时：VGVTVGVTVGVT，绝缘门极下形成，绝缘门极下形成N N沟道，由于载流子的相互作用，沟道，由于载流子的相互作用，在在N-N-区产生电导调制，使器件正向导通。区产生电导调制，使器件正向导通。关断时拖尾时间：关断时拖尾时间：在器件导通之后，若将门极电压突然减至在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使漏极电流有所突降，但由于突降，但由于N-N-区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电区中注入了大量的电子、空穴对，因而漏极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。锁定现象：由于锁定现象：由于IGBTIGBT结构中寄生着结构中寄生着PNPNPNPN四层结构，存在着由四层结构，存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。出现锁定现象的条件流失控，进而引起器件产生破坏性失效。出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通条件：就是晶闸管的触发导通条件：1+2=11+2=1a.a.静态锁定：静态锁定：IGBTIGBT在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定发生在稳态电流密度超过某一数值时。电压低，锁定发生在稳态电流密度超过某一数值时。b.b.动态锁定：动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压动态锁定：动态锁定发生在开关过程中，在大电流、高电压的情况下、主要是因为在电流较大时引起的情况下、主要是因为在电流较大时引起11和和22的增加，以的增加，以及由过大的及由过大的dv/dtdv/dt引起的位移电流造成的。引起的位移电流造成的。c.c.栅分布锁定：是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中栅分布锁定：是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或后关断的个别先开通或后关断的IGBTIGBT之中的电流密度过大而形成局部锁之中的电流密度过大而形成局部锁定。定。采取各种工艺措施，可以提高锁定电流，克服由于锁定产采取各种工艺措施，可以提高锁定电流，克服由于锁定产生的失效。生的失效。三、基本特性：三、基本特性：（一静态特性（一静态特性1伏安特性：伏安特性：几十伏，无反向阻断能力几十伏，无反向阻断能力饱和区饱和区放大区放大区击穿区击穿区2饱和电压特性：饱和电压特性：IGBT的电流密度较大，的电流密度较大，通态电压的温度系数在小通态电压的温度系数在小电流范围内为负。大电流电流范围内为负。大电流范围为正，其值大约为范围为正，其值大约为1.4倍倍100。3转移特性：转移特性：与功率与功率MOSFET的转移特性的转移特性相同。当门源电压相同。当门源电压VGS小于开启小于开启电压电压VT时，时，IGBT处于关断状态，处于关断状态，加在门源间的最高电压由流过漏加在门源间的最高电压由流过漏极的最大电流所限定。一般门源极的最大电流所限定。一般门源电压最佳值电压最佳值15V。4开关特性：开关特性：与功率与功率MOSFET相比，相比，IGBT通态压降要小得多，通态压降要小得多，1000V的的IGBT约有约有25的通态压降。这的通态压降。这是因为是因为IGBT中中N漂移区存在电漂移区存在电导调制效应的缘故。导调制效应的缘故。（二动态特性（二动态特性1开通过程：开通过程：t d(on)：开通延迟时间：开通延迟时间tri ：电流上升时间电流上升时间tfv1，tfv2：漏源电压下降时：漏源电压下降时间间tfv1：MOSFET单独工作时的单独工作时的 电压下降时间。电压下降时间。tfv2：MOSFET和和PNP管同时管同时工作时的电压下降时间。随漏工作时的电压下降时间。随漏源电压下降而延长；受源电压下降而延长；受PNP管管饱和过程影响。饱和过程影响。平台：由于门源间流过驱动电流，门源平台：由于门源间流过驱动电流，门源间呈二极管正向特性，间呈二极管正向特性，VGS维持不变。维持不变。2关断过程：关断过程：t d(off)：延迟时间：延迟时间t rv：VDS上升时间上升时间t fi2：由：由PNP晶体管晶体管中存储电荷决定，此中存储电荷决定，此时时MOSFET已关断，已关断，IGBT又无反向电压，又无反向电压，体内存储电荷很难迅体内存储电荷很难迅速消除，因此下降时速消除，因此下降时间较长，间较长，VDS较大，较大，功耗较大。一般无缓功耗较大。一般无缓冲区的，下降时间短。冲区的，下降时间短。由由MOSFET决定决定3开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。开关时间：用电流的动态波形确定开关时间。漏极电流的开通时间和上升时间：漏极电流的开通时间和上升时间：开通时间：开通时间：ton=t d(on)+tri 上升时间：上升时间：tr=tfv1+tfv2 漏极电流的关断时间和下降时间：漏极电流的关断时间和下降时间：关断时间：关断时间：toff=t d(off)+t rv 下降时间：下降时间：tf=t fi1+t fi2 反向恢复时间：反向恢复时间：trr 4开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：开关时间与漏极电流、门极电阻、结温等参数的关系：5开关损耗与温度和漏极电流关系开关损耗与温度和漏极电流关系（三擎住效应（三擎住效应 IGBT的锁定现象又称擎住效应。的锁定现象又称擎住效应。IGBT复合器件内有一个复合器件内有一个寄生晶闸管存在，它由寄生晶闸管存在，它由PNP利利NPN两个晶体管组成。在两个晶体管组成。在NPN晶晶体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻体管的基极与发射极之间并有一个体区电阻Rbr，在该电阻上，在该电阻上，P型体区的横向空穴流会产生一定压降。对型体区的横向空穴流会产生一定压降。对J3结来说相当于加结来说相当于加一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，NPN晶体管不起作用。当漏极电流人到晶体管不起作用。当漏极电流人到定程度时，这个正偏定程度时，这个正偏量电压足以使量电压足以使NPN晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极晶体管导通，进而使寄生晶闸管开通、门极失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。失去控制作用、这就是所谓的擎住效应。IGBT发生擎住效应后。发生擎住效应后。漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。漏极电流增大造成过高的功耗，最后导致器件损坏。漏极通态电流的连续值超过临界值漏极通态电流的连续值超过临界值IDM时产生的擎住效应时产生的擎住效应称为静态擎住现象。称为静态擎住现象。IGBT在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住在关断的过程中会产生动态的擎住效应。动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因而，制造厂家所规所允许的漏极电流比静态擎住时还要小，因而，制造厂家所规定的定的IDM值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。值是按动态擎住所允许的最大漏极电流而确定的。动态过程中擎住现象的产生主要由重加动态过程中擎住现象的产生主要由重加dv/dt来决定，此外来决定，此外还受漏极电流还受漏极电流IDM以及结温以及结温Tj等因素的影响。等因素的影响。在使用中为了避免在使用中为了避免IGBT发生擎住现象发生擎住现象:1设计电路时应保证设计电路时应保证IGBT中的电流不超过中的电流不超过IDM值；值；2用加大门极电阻用加大门极电阻RG的办法延长的办法延长IGBT的关断时间，减小重的关断时间，减小重加加 dVDS/d t。3器件制造厂家也在器件制造厂家也在IGBT的工艺与结构上想方设法尽可能提的工艺与结构上想方设法尽可能提 高高IDM值，尽量避免产生擎住效应。值，尽量避免产生擎住效应。（四安全工作区（四安全工作区1FBSOA：IGBT开通时正向偏置安全工作区。开通时正向偏置安全工作区。随导通时间的增加，损耗增大，发热严重，安全区逐步减小。随导通时间的增加，损耗增大，发热严重，安全区逐步减小。2RBSOA：IGBT关断时反向偏置安全工作区。关断时反向偏置安全工作区。随随IGBT关断时的重加关断时的重加dVDS/dt改变，电压上升率改变，电压上升率dVDS/dt越大，越大，安全工作区越小。通过选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设安全工作区越小。通过选择门极电压、门极驱动电阻和吸收回路设计可控制重加计可控制重加dVDS/dt，扩大，扩大RBSOA。最大漏极电流最大漏极电流最大漏源电压最大漏源电压VDSM（五具体参数和特性（五具体参数和特性7.2 7.2 门极驱动门极驱动一、驱动条件：一、驱动条件：门极驱动电路的正偏压门极驱动电路的正偏压VGS，负偏压，负偏压VGS，门极电阻，门极电阻RG的大小，决定的大小，决定IGBT的静态和动态特性，如：通态电压、开的静态和动态特性，如：通态电压、开关时间、开关损耗、短路能力、电流关时间、开关损耗、短路能力、电流di/dt及及dv/dt。1正偏电压正偏电压VGS的影响的影响 VGS增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减增加时，通态压降下降，开通时间缩短，开通损耗减小，但小，但VGS增加到一定程度后，对增加到一定程度后，对IGBT的短路能力及电流的短路能力及电流di/dt不利，一般不利，一般VGS不超过不超过15V。（。（12V15V）2负偏压负偏压VGS的影响：的影响：门极负偏压可以减小漏极浪涌电流，避免发生锁定效应，门极负偏压可以减小漏极浪涌电流，避免发生锁定效应，但对关断特性影响不大。如图：但对关断特性影响不大。如图：3门极电阻门极电阻RG的影响：的影响：当门极电阻当门极电阻RG增加时，增加时，IGBT的开通与关断时间增加，进的开通与关断时间增加，进而使每脉冲的开通能耗和关断能损也增加。而使每脉冲的开通能耗和关断能损也增加。但但RG减小时，减小时，IGBT的电流上升率的电流上升率di/dt增大，会引起增大，会引起IGBT的误导通，同时的误导通，同时RG电阻的损耗也增加。电阻的损耗也增加。一般，在开关损耗不太大的情况下，选较大的电阻一般，在开关损耗不太大的情况下，选较大的电阻RG。4IGBT驱动电路设计要求：驱动电路设计要求：(1)由于是容性输入阻抗，因此由于是容性输入阻抗，因此IGBT对门极电荷集聚很敏感，驱动对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。(2)用低内阻的驱动源对门极电容充放电以保证门极控制电压用低内阻的驱动源对门极电容充放电以保证门极控制电压VGS有足够陡峭的前后沿，使有足够陡峭的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外的开关损耗尽量小。另外IGBT开通开通后，门极驱动源应提供足够的功率使后，门极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏。不致退出饱和而损坏。(3)门极电路中的正偏压应为门极电路中的正偏压应为+12+15V；负偏压应为；负偏压应为210V。(4)IGBT多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。严格隔离。(5)门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对IGBT的自保护功能，的自保护功能，并有较强的抗于扰能力。并有较强的抗于扰能力。(6)若为大电感负载，若为大电感负载，IGBT的关断时间不宜过短，以限制的关断时间不宜过短，以限制di/dt所形所形成的尖峰电压，保证成的尖峰电压，保证IGBT的安全。的安全。二、驱动电路：二、驱动电路：在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路，IGBTIGBT的输入的输入特性与特性与MOSFETMOSFET几乎相同，因此与几乎相同，因此与MOSFETMOSFET的驱动电路几乎一样。的驱动电路几乎一样。注意：注意：1 1IGBTIGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式。驱动电路采用正负电压双电源工作方式。2 2信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号信号电路和驱动电路隔离时，采用抗噪声能力强，信号 传输时间短的快速光耦。传输时间短的快速光耦。3 3门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。门极和发射极引线尽量短，采用双绞线。4 4为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。为抑制输入信号振荡，在门源间并联阻尼网络。三、常用三、常用PWM控制芯片：控制芯片：TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060，VC1840，SL-64等。等。四、四、IGBT专用驱动模块：专用驱动模块：大多数大多数IGBT生产厂家为了解决生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题，都的可靠性问题，都生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的生产与其相配套的混合集成驱动电路，如日本富士的EXB系系列、日本东芝的列、日本东芝的TK系列，美国库托罗拉的系列，美国库托罗拉的MPD系列等。这系列等。这些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保些专用驱动电路抗干扰能力强，集成化程度高，速度快，保护功能完善，可实现护功能完善，可实现IGBT的最优驱动。的最优驱动。富士的富士的EXB841快速驱动电路快速驱动电路由放大电路，过流保护电路，由放大电路，过流保护电路，5V基准电压源电路组成。基准电压源电路组成。具有过流缓关断功能。具有过流缓关断功能。7.3 IGBT7.3 IGBT的保护的保护一、常用的保护措施：一、常用的保护措施：(1)通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护(2)利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的dv/dt。(3)利用温度传感器检测利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电的壳温，当超过允许温度时主电路跳问，实现过热保护。路跳问，实现过热保护。二、过电流保护措施及注意问题：二、过电流保护措施及注意问题：1IGBT短路时间：短路时间：2过电流的识别：过电流的识别：采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大采用漏极电压的识别方法，通过导通压降判断漏极电流大小。进而切断门极控制信号。小。进而切断门极控制信号。注意：识别时间和动作时间应小于注意：识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流允许的短路过电流时间几个时间几个us），同时判断短路的真与假，常用方法是利用），同时判断短路的真与假，常用方法是利用降低门极电压使降低门极电压使IGBT承受短路能力增加，保护电路动作时间承受短路能力增加，保护电路动作时间延长来处理。延长来处理。3保护时缓关断：保护时缓关断：由于由于IGBT过电流时电流幅值很大，加之过电流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度快。关断速度快。如果按正常时的关断速度，就会造成如果按正常时的关断速度，就会造成Ldi/dt过大形成很高的过大形成很高的尖峰电压，造成尖峰电压，造成IGBT的锁定或二次击穿，极易损坏的锁定或二次击穿，极易损坏IGBT和和设备中的其他元器件，因此有必要让设备中的其他元器件，因此有必要让IGBT在允许的短路时间在允许的短路时间内采取措施使内采取措施使IGBT进行进行“慢速关断慢速关断”。采用电流互感器和霍尔元件进行过流检测及过流保护：采用电流互感器和霍尔元件进行过流检测及过流保护：三、缓冲电路三、缓冲电路 利用缓冲电路抑制过电压，减小利用缓冲电路抑制过电压，减小dv/dt。50A200A缓冲电路参数估算：缓冲电路参数估算：缓冲电容：缓冲电容：220)(dCEPSEVLIC L主回路杂散电感与配线长度有关）主回路杂散电感与配线长度有关）I0关断时漏极电流关断时漏极电流VCEP缓冲电容上电压稳态值有安全区确定）缓冲电容上电压稳态值有安全区确定）Ed直流电源电压直流电源电压 缓冲电阻：在关断信号到来前，将缓冲电容上电荷放净缓冲电阻：在关断信号到来前，将缓冲电容上电荷放净fCRSS321f：开关频率：开关频率缓冲电阻功率：缓冲电阻功率：220fILPSSLS：缓冲电路电感：缓冲电路电感7.4 7.4 应用实例应用实例一、静音式变频调速系统一、静音式变频调速系统二、工业加热电源：三、逆变弧焊电源：四、不间断电源：UPS五、有源功率滤波器：第八章第八章 新型电力半导体器件新型电力半导体器件一、新型电力电子器件IGCT 集成门极换流晶闸管IGCTIntegrated Gate Commutated Thyristor是2019年问世的一种新型半导体开关器件。该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸管GCT集成于一个整体形成的。门极换流晶闸管GCT是基于GTO结构的一种新型电力半导体器件，它不仅有与GTO相同的高阻断能力和低通态压降，而且有与IGBT相同的开关性能，即它是GTO和IGBT相互取长补短的结果，是一种较理想的兆瓦级、中压开关器件，非常适合用于6kV和10kV的中压开关电路。IGCT芯片在不串不并的情况下，二电平逆变器容量0.5M3MVA，三电平逆变器1M6MVA。若反向二极管分离，不与IGCT集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4.5MVA，三电平扩至9MVA，现在已有这类器件构成的变频器系列产品。目前，IGCT已经商品化，ABB公司制造的IGCT产品的最高性能参数为4.5kV4kA，最高研制水平为6kV4kA。2019年，日本三菱公司开发了直径为88mm的6kV4kA的GCT晶闸管。二、功率集成电路：PIC 高压集成电路：HVIC 智能功率集成电路：SPIC本课程结课要求：写读书及查新报告本课程结课要求：写读书及查新报告要求：要求：1总结功率半导体器件发展、应用及特点。总结功率半导体器件发展、应用及特点。2详细分析并对比相关器件的特性，驱动及应用中详细分析并对比相关器件的特性，驱动及应用中的优缺点。的优缺点。如：如：SCR与与GTO；GTR与与IGBT；MOSFET与与IGBT；GTO与与IGCT；IGBT与与IGCT；MCT与与IGCT；IGBT与与MCT；等；等3查新：了解一种新型半导体器件的基本特性，如：查新：了解一种新型半导体器件的基本特性，如：功率集功率集 成电路成电路、新型功率器件或一种功率模块、新型功率器件或一种功率模块IPM。