1、雙極型器件雙極型器件GTR（大功率晶體管）（大功率晶體管）結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖優(yōu)點：由于有少數(shù)載流子的注入對漂優(yōu)點：由于有少數(shù)載流子的注入對漂移區(qū)電導的調(diào)制，其通流能力一般都移區(qū)電導的調(diào)制，其通流能力一般都很高，電流密度約為很高，電流密度約為200300A/cm2，因此器件尺寸小，價格低。因此器件尺寸小，價格低。缺點：除開關速度低外，開關過程中缺點：除開關速度低外，開關過程中的功率消耗太大。的功率消耗太大。單極型器件單極型器件 VMOS結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖克服了雙極型器件的以上二個缺克服了雙極型器件的以上二個缺點，但由于沒有少數(shù)載流子的電點，但由于沒有少數(shù)載流子的電導調(diào)制作用，以至于通態(tài)電阻導

2、調(diào)制作用，以至于通態(tài)電阻Ron較大，通流能力較小。如較大，通流能力較小。如600V耐壓耐壓VMOS最大電流密度僅最大電流密度僅為為10A/cm2。BiMOS器件器件兼雙極和單極型器件所長構(gòu)成的兼雙極和單極型器件所長構(gòu)成的一種新型器件。這種新型器件設一種新型器件。這種新型器件設計與制造技術就是雙極計與制造技術就是雙極MOS復復合器件技術，簡稱合器件技術，簡稱BiMOS技術。技術。如如IGBT、MCT等。等。 IGBT IGBT-絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管是一種新型電力電子器件，具有輸是一種新型電力電子器件，具有輸入阻抗高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動電路簡單、入阻抗高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動電路簡單、安全工

3、作區(qū)寬、電流處理能力強的特點，安全工作區(qū)寬、電流處理能力強的特點，廣泛應用在電機控制、中頻開關電源和廣泛應用在電機控制、中頻開關電源和逆變器、機器人、空調(diào)器以及要求快速、逆變器、機器人、空調(diào)器以及要求快速、低損耗的許多領域低損耗的許多領域IGBT（IGT），），1982年研制，年研制，第一代于第一代于1985年生產(chǎn)，主要年生產(chǎn)，主要特點是低損耗，導通壓降為特點是低損耗，導通壓降為3V，下降時間，下降時間0.5us，耐壓，耐壓500600V，電流，電流25A。第二。第二代于代于1989年生產(chǎn)，有高速開年生產(chǎn)，有高速開關型和低通態(tài)壓降型，容量關型和低通態(tài)壓降型，容量為為400A/5001400V，

4、工作頻，工作頻率達率達20KHZ。目前第三代正在發(fā)展，仍然分目前第三代正在發(fā)展，仍然分為兩個方向，一是追求損耗為兩個方向，一是追求損耗更低和速度更高；另一方面更低和速度更高；另一方面是發(fā)展更大容量，采用平板是發(fā)展更大容量，采用平板壓接工藝，容量達壓接工藝，容量達1000A，4500V；命名為；命名為IEGT（InjectionEnhancedGateTransistor)IGBT模塊1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模塊模塊PowerexCM300DY-24H4x IGBT4x二極管二極管IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.1 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原

5、理IGBT是在是在VMOS的基礎上發(fā)展起來的，的基礎上發(fā)展起來的，兩者結(jié)構(gòu)十分類似，不同之處是兩者結(jié)構(gòu)十分類似，不同之處是IGBT多了一層多了一層P+層發(fā)射極，從而多了一個層發(fā)射極，從而多了一個大面積的大面積的P+N結(jié)（結(jié)（J1）。）。IGBT也有也有N溝道和溝道和P溝道之分。溝道之分。集電極集電極 C鋁柵結(jié)構(gòu)鋁柵結(jié)構(gòu)IGBTIGBT每個器每個器件單元實際件單元實際上就是上就是MOSFET和和雙極晶體管雙極晶體管BJT的組合的組合1、基本結(jié)構(gòu)、基本結(jié)構(gòu)硅柵結(jié)構(gòu)硅柵結(jié)構(gòu)IGBT IGBT的構(gòu)造和功率MOSFET的對比如左圖所示。IGBT是通過在功率MOSFET的漏極上追加p+層而構(gòu)成的，從而具有

6、以下特征。MOSFETIGBT 1電壓控制型元件 IGBT的理想等效電路，正如圖2所示，是對pnp雙極型晶體管和功率MOSFET進行達林頓連接(就是兩個三極管接在一起，極性只認前面的三極管)后形成的單片型Bi-MOS晶體管。因此，在門極發(fā)射極之間外加正電壓使功率MOSFET導通時，pnp晶體管的基極集電極間就連接上了低電阻，從而使pnp晶體管處于導通狀態(tài)。此后，使門極發(fā)射極之間的電壓為0V時，首先功率MOSFET處于斷路狀態(tài)，pnp晶體管的基極電流被切斷，從而處于斷路狀態(tài)。如上所述，IGBT和功率MOSFET一樣，通過電壓信號可以控制開通和關斷動作。 2耐高壓、大容量 IGBT和功率MOSFE

7、T同樣，雖然在門極上外加正電壓即可導通，但是由于通過在漏極上追加p+層，在導通狀態(tài)下從p+層向n基極注入空穴，從而引發(fā)傳導性能的轉(zhuǎn)變，因此它與功率MOSFET相比，可以得到極低的通態(tài)電阻。等效電路等效電路S12DE（S）C（D）G圖形符號圖形符號特點：特點：具有通態(tài)密度具有通態(tài)密度高、正反向阻高、正反向阻斷能力強以及斷能力強以及導通和關斷雙導通和關斷雙可控特點，且可控特點，且功耗小功耗小202022-3-63、IGBT分類分類溝道溝道N溝道溝道IGBTP溝道溝道IGBT緩沖區(qū)緩沖區(qū)有，非對稱型有，非對稱型IGBT（穿通型）（穿通型）無，對稱型無，對稱型IGBT（非穿通型）（非穿通型） NPT-

8、IGBT:非沖壓機非沖壓機Throught-IGBTPT-IGBT: 沖壓機沖壓機Throught-IGBT212022-3-6IGBT按緩沖區(qū)的有無來分類，緩沖區(qū)是介于按緩沖區(qū)的有無來分類，緩沖區(qū)是介于P+發(fā)射區(qū)和發(fā)射區(qū)和N-飄移區(qū)之間的飄移區(qū)之間的N+層。無緩沖區(qū)者稱層。無緩沖區(qū)者稱為對稱型為對稱型IGBT，有緩沖區(qū)者稱為非對稱型，有緩沖區(qū)者稱為非對稱型IGBT。因為結(jié)構(gòu)不同，因而特性也不同。非對稱型因為結(jié)構(gòu)不同，因而特性也不同。非對稱型IGBT由于存在由于存在N+區(qū)，反向阻斷能力弱，但其正區(qū)，反向阻斷能力弱，但其正向壓降低、關斷時間短、關斷時尾部電流小；與向壓降低、關斷時間短、關斷時尾部

9、電流小；與此相反，對稱型此相反，對稱型IGBT具有正反向阻斷能力，其具有正反向阻斷能力，其他特性卻不及非對稱型他特性卻不及非對稱型IGBT。目前商品化的。目前商品化的IGBT單管或模塊大部分是非對稱型單管或模塊大部分是非對稱型IGBT。222022-3-6一一. .非對稱型非對稱型IGBT的物理描述的物理描述 電導調(diào)制電導調(diào)制 反向阻斷反向阻斷CE發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極232022-3-6雙載流子參與導電雙載流子參與導電242022-3-6 IGBT IGBT也屬場控器件，其驅(qū)動原也屬場控器件，其驅(qū)動原理與電力理與電力MOSFETMOSFET基本相同，是一基本相同，是一種由柵極電壓種由柵極電

10、壓UGEUGE控制集電極電流控制集電極電流的柵控自關斷器件。的柵控自關斷器件。v 導通：導通：U UGEGE大于開啟電壓大于開啟電壓U UGE(th)GE(th)時，時，MOSFETMOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，供基極電流，IGBTIGBT導通。導通。v 導通壓降：電導調(diào)制效應使電阻導通壓降：電導調(diào)制效應使電阻R RN N減小，使通態(tài)壓降小。減小，使通態(tài)壓降小。v 關斷：柵射極間施加反壓或不加關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，信號時，MOSFETMOSFET內(nèi)的溝道消失，內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，晶體管的基極電流被切斷，IGBTIGBT關斷。

11、關斷。圖圖3.7.2 IGBT3.7.2 IGBT伏安特性伏安特性2、工作原理：、工作原理：IGBT的集電極相對于發(fā)射的集電極相對于發(fā)射極加負電壓時，由于極加負電壓時，由于P+N結(jié)（結(jié)（J1）處于反偏狀態(tài)，）處于反偏狀態(tài)，因而不管因而不管VDMOS的溝道的溝道體中有沒有形成溝道，電體中有沒有形成溝道，電流都不能在流都不能在C、E間形成。間形成。因此因此IGBT比比VMOS多了一多了一個個J1結(jié)，因而獲得了反向結(jié)，因而獲得了反向電壓阻斷能力。反向阻斷電壓阻斷能力。反向阻斷電壓的高低決定于電壓的高低決定于J1結(jié)的結(jié)的雪崩擊穿電壓。雪崩擊穿電壓。DS+J1J2J3IGBT阻斷原理阻斷原理DS+J1J

12、2J3IGBT的正向阻斷電壓的正向阻斷電壓則是由則是由J2結(jié)的雪崩電壓結(jié)的雪崩電壓決定。因為決定。因為VCE為正為正時，若柵極對發(fā)射極短時，若柵極對發(fā)射極短路，路，J2結(jié)處于反向偏置結(jié)處于反向偏置狀態(tài)而狀態(tài)而VDMOS未能形未能形成導電溝道。成導電溝道。但若此時對柵極加正向但若此時對柵極加正向電壓，溝道體表面形成電壓，溝道體表面形成溝道，溝道，IGBT進入正向進入正向?qū)顟B(tài)。導通狀態(tài)。DS+J1J2J3+（小）（小）電子由電子由N+發(fā)射區(qū)經(jīng)反型層進發(fā)射區(qū)經(jīng)反型層進入入N基區(qū)。降低了基區(qū)。降低了N基區(qū)的電基區(qū)的電位。加速位。加速P+區(qū)向區(qū)向N-注入空穴注入空穴進程。直到超過進程。直到超過N基區(qū)

13、中的基區(qū)中的多數(shù)載流子。多數(shù)載流子。只要柵壓足夠高，只要柵壓足夠高，IGBT的通的通態(tài)伏安特性就與二極管的通態(tài)伏安特性就與二極管的通態(tài)特性一樣，即使阻斷電壓態(tài)特性一樣，即使阻斷電壓額定值較高的器件，其電流額定值較高的器件，其電流容量也能達到很高值。容量也能達到很高值。IGBT導通原理導通原理 作為一個虛擬達林作為一個虛擬達林頓電路末級，頓電路末級，PNP管從管從不進入深飽和區(qū)，它的不進入深飽和區(qū)，它的電壓降比處于深飽和區(qū)電壓降比處于深飽和區(qū)的同樣的同樣PNP管要高。然管要高。然而特別應該指出的是：而特別應該指出的是：一個一個IGBT發(fā)射極覆蓋發(fā)射極覆蓋芯片的整個面積，因此芯片的整個面積，因此它

14、的注射效率和通態(tài)壓它的注射效率和通態(tài)壓降比同樣尺寸的雙極晶降比同樣尺寸的雙極晶體管要優(yōu)越得多。體管要優(yōu)越得多。對于已正向?qū)ǖ膶τ谝颜驅(qū)ǖ腎GBT，如果想令其轉(zhuǎn)，如果想令其轉(zhuǎn)入關斷狀態(tài)，只須讓入關斷狀態(tài)，只須讓VG=0即可，可以通過即可，可以通過將柵極與發(fā)射極短路來將柵極與發(fā)射極短路來實現(xiàn)。實現(xiàn)。302022-3-6思考與討論1, 請分析IGBT與MOSFET的區(qū)別。2, 請分析IGBT的工作原理。312022-3-6（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性v伏安特性伏安特性IGBT的伏安特性與的伏安特性與GTR類似，不同之處是，控類似，不同之處是，控制參數(shù)是門源電壓制參數(shù)是門源電壓VGS，而不是基極電流

15、，伏安而不是基極電流，伏安特性分飽和區(qū)（特性分飽和區(qū)（）、）、放大區(qū)（放大區(qū)（）和擊穿區(qū)）和擊穿區(qū)（）。如果無）。如果無N+緩沖緩沖區(qū)，正反向阻斷電壓可區(qū)，正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，但加以做到同樣水平，但加入緩沖區(qū)，反向阻斷電入緩沖區(qū)，反向阻斷電壓只有幾十伏。壓只有幾十伏。4、工作特性與參數(shù)、工作特性與參數(shù)VBRICVCEIGBT的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類：靜態(tài)特性。IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、飽和電壓特性、轉(zhuǎn)移特性和開關特性。322022-3-6IGBT的伏安特性的伏安特性 反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGEUGE下器件的輸下器件的輸出端電壓出端電壓

16、U UCECE與電流與電流I Ic c的關系。的關系。 IGBTIGBT的伏安特性分為的伏安特性分為: :截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。區(qū)和擊穿區(qū)。圖圖3.7.2 IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性332022-3-6當當MOSFET的導電溝道充分的導電溝道充分開啟，開啟，IGBT的集電極電流主的集電極電流主要由釘二極管部份決定，其要由釘二極管部份決定，其通態(tài)伏安特性為指數(shù)函數(shù)，通態(tài)伏安特性為指數(shù)函數(shù)，而而VMOS和和GTR皆為線性關皆為線性關系。因此，在同樣的耐壓下，系。因此，在同樣的耐壓下，使用使用IGBT比使用比使用VMOS和和GTR更容易通過

17、較大電流，更容易通過較大電流，獲得更大的功率輸出。如對獲得更大的功率輸出。如對于于600V等級的器件，等級的器件，IGBT能能夠承受的最大電流密度一般夠承受的最大電流密度一般是是VMOS的的20倍，是倍，是GTR的的5倍左右。倍左右。342022-3-6v轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性由圖可知，由圖可知，IGBT電流電流密度較大，通態(tài)電壓密度較大，通態(tài)電壓的溫度系數(shù)在小電流的溫度系數(shù)在小電流范圍內(nèi)為負，大電流范圍內(nèi)為負，大電流范圍內(nèi)為正，其值約范圍內(nèi)為正，其值約為為1.4倍倍/100。這是因為在低電流區(qū)域，這是因為在低電流區(qū)域，VBE、hFE起支配作用，起支配作用，故具有負的溫度系數(shù)。而在大電流區(qū)故具有負的

18、溫度系數(shù)。而在大電流區(qū)Repi，Rch起支配作用，器件便具有正溫度系數(shù)。起支配作用，器件便具有正溫度系數(shù)。VCEIC352022-3-6由于由于MOSFET和和PNP管在這里是管在這里是達林頓接法，其電流不會像達林頓接法，其電流不會像MOSFET那樣從零伏開始上升，那樣從零伏開始上升，而是存在著而是存在著PNP晶體管晶體管VBE所需所需要的偏置電壓。一旦電導調(diào)制效要的偏置電壓。一旦電導調(diào)制效應發(fā)生后，其動態(tài)電阻與應發(fā)生后，其動態(tài)電阻與MOSFET相比則非常小。相比則非常小。IGBT不適合于要求器件壓降低于不適合于要求器件壓降低于0.7V的場合下使用的場合下使用擊穿電壓高的擊穿電壓高的IGBT器

19、件電流容量較低。高耐壓器件器件電流容量較低。高耐壓器件的的N基區(qū)較寬。基區(qū)較寬。362022-3-6 U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)( (開啟電壓開啟電壓, ,一一般為般為3 36V) 6V) ；其輸出電流；其輸出電流I Ic c與驅(qū)動電壓與驅(qū)動電壓U UGEGE基本呈線性關基本呈線性關系；系； 圖圖3.7.2 IGBT的伏安特的伏安特 性和轉(zhuǎn)移特性性和轉(zhuǎn)移特性IGBTIGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖b b）IGBTIGBT關斷：關斷：IGBTIGBT開通：開通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)；372022-3-6由于由于IGBT中的電中的電導調(diào)制效應的

20、影響，導調(diào)制效應的影響，PT型型IGBT的飽和的飽和壓降，在小電流區(qū)壓降，在小電流區(qū)域具有負溫度系數(shù)，域具有負溫度系數(shù)，在大電流區(qū)域具有在大電流區(qū)域具有正溫度系數(shù)。但正溫度系數(shù)。但NPT型型IGBT中，中，電導調(diào)制效應的影電導調(diào)制效應的影響沒有響沒有PT型型IGBT強，因此強，因此NPT型型IGBT具有正溫度具有正溫度系數(shù)，適應于并聯(lián)系數(shù)，適應于并聯(lián)使用。使用。飽和壓降特性飽和壓降特性382022-3-6（二）動態(tài)特性（二）動態(tài)特性1開通過程：開通過程：td(on)：開通延遲時間：開通延遲時間tri：電流上升時間：電流上升時間tfv1，tfv2：漏源電壓下降時間：漏源電壓下降時間tfv1：MO

21、SFET單獨工作時的單獨工作時的電壓下降時間。電壓下降時間。tfv2：MOSFET和和PNP管同時工管同時工作時的電壓下降時間。隨漏源作時的電壓下降時間。隨漏源電壓下降而延長；受電壓下降而延長；受PNP管飽管飽和過程影響。和過程影響。平臺：由于門源間流過驅(qū)動電流，門源平臺：由于門源間流過驅(qū)動電流，門源間呈二極管正向特性，間呈二極管正向特性，VGS維持不變。維持不變。392022-3-6IGBT的開關特性的開關特性 （1）IGBT的開通過程：的開通過程： 從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^程。正向?qū)ǖ倪^程。 v 開通延遲時間開通延遲時間td(on) ： IC從從10%UCEM

22、到到10%ICM所需時間。所需時間。v 電流上升時間電流上升時間tr ： IC從從10%ICM上升至上升至90%ICM所需時間。所需時間。v 開通時間開通時間ton ton ： ton = td(on) + + tr圖圖3 3.7.3 IGBT的開關特性的開關特性 402022-3-62關斷過程：關斷過程：td(off)：延遲時間：延遲時間trv：VDS上升時間上升時間tfi2：由：由PNP晶體管中晶體管中存儲電荷決定，此時存儲電荷決定，此時MOSFET已關斷，已關斷，IGBT又無反向電壓，又無反向電壓，體內(nèi)存儲電荷很難迅體內(nèi)存儲電荷很難迅速消除，因此下降時速消除，因此下降時間較長，間較長，V

23、DS較大，功較大，功耗較大。一般無緩沖耗較大。一般無緩沖區(qū)的，下降時間短。區(qū)的，下降時間短。由由MOSFET決定決定412022-3-6IGBT的關斷過程的關斷過程v 關斷延遲時間關斷延遲時間td(off) ：從從UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的時刻的時刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v 電流下降時間：電流下降時間：ic從從90%ICM下降至下降至10%ICM 。v 關斷時間關斷時間toff：關斷延遲時間關斷延遲時間與電流下降之和。與電流下降之和。 電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為tfi1和和tfi2 tfi1IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的MOSFET的的關斷過程，關斷

24、過程，ic下降較快；下降較快； tfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNP晶體管晶體管的關斷過程，的關斷過程，ic下降較慢。下降較慢。圖圖3.7.3 IGBT的開關特性的開關特性 422022-3-63開關時間：用電流的動態(tài)波形確定開關時間。開關時間：用電流的動態(tài)波形確定開關時間。漏極電流的開通時間和上升時間：漏極電流的開通時間和上升時間：開通時間：開通時間：t tonon= =td(on)+tri上升時間：上升時間：tr=tfv1+tfv2漏極電流的關斷時間和下降時間：漏極電流的關斷時間和下降時間：關斷時間：關斷時間：t toffoff= =td(off)+trv下降時間：下降時間：t tf f=

25、=tfi1+tfi2反向恢復時間：反向恢復時間：t trrrr432022-3-6動態(tài)特性（開關特性）動態(tài)特性（開關特性）IGBT動態(tài)特性 iCtt1 1t2 2t3 3t4 4USTuGEUGEM0.1UGEMICM0.9ICMtONtOFF0.1ICM0.9UGEMuCEMOSONGTRONMOSOFFGTROFFt鉗位效應：鉗位效應：G-E驅(qū)動電流驅(qū)動電流 二極管正向特性拖尾電流拖尾電流MOS已已經(jīng)關斷，經(jīng)關斷，IGBT存存儲電荷釋儲電荷釋放緩慢放緩慢442022-3-6ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi

26、2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM452022-3-6 與與MOSFET的相似，因為開通過程中的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間在大部分時間作為作為MOSFET運行運行 開通延遲時間開通延遲時間td(在在) 從從uGE上升至其幅值上升至其幅值10%的時的時刻，到刻，到iC上升至上升至10% ICM 電流上升時間電流上升時間tr iC從從10%ICM上升至上升至90%ICM所所需時間需時間 開通時間噸開通時間噸開通延遲時間與電流上升時間之和開通延遲時間與電流上升時間之和 uCE的下降過程分為的下降過程分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。tfv1

27、IGBT中中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程晶體管同時工作的電壓下降過程IGBT的開通過程的開通過程462022-3-64開關時間與漏極電流、門極電阻、結(jié)溫等參數(shù)的關系：開關時間與漏極電流、門極電阻、結(jié)溫等參數(shù)的關系：472022-3-65開關損耗與溫度和漏極電流關系開關損耗與溫度和漏極電流關系482022-3-6思考與討論3,請畫圖并歸納說明IGBT的基本特性。1, 請分析IGBT與MOSFET的區(qū)別。2, 請分析IGBT的工作原理。492022-3-6（三）擎住效應（三）擎住效應IGBT的鎖定現(xiàn)象又稱擎住

28、效應。的鎖定現(xiàn)象又稱擎住效應。IGBT復合器件內(nèi)有一個寄生復合器件內(nèi)有一個寄生晶閘管存在，它由晶閘管存在，它由PNP利利NPN兩個晶體管組成。在兩個晶體管組成。在NPN晶體管晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個體區(qū)電阻的基極與發(fā)射極之間并有一個體區(qū)電阻Rbr，在該電阻上，在該電阻上，P型型體區(qū)的橫向空穴流會產(chǎn)生一定壓降。對體區(qū)的橫向空穴流會產(chǎn)生一定壓降。對J3結(jié)來說相當于加一個結(jié)來說相當于加一個正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個正偏壓不大，正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個正偏壓不大，NPN晶體管不起作用。當漏極電流大到晶體管不起作用。當漏極電流大到定程度時，這個正偏定程度時，這個正偏

29、量電壓足以使量電壓足以使NPN晶體管導通，進而使寄生晶閘管開通、門極晶體管導通，進而使寄生晶閘管開通、門極失去控制作用、這就是所謂的擎住效應。失去控制作用、這就是所謂的擎住效應。IGBT發(fā)生擎住效應后。發(fā)生擎住效應后。漏極電流增大造成過高的功耗，最后導致器件損壞。漏極電流增大造成過高的功耗，最后導致器件損壞。漏極通態(tài)電流的連續(xù)值超過臨界值漏極通態(tài)電流的連續(xù)值超過臨界值IDM時產(chǎn)生的擎住效應稱為靜時產(chǎn)生的擎住效應稱為靜態(tài)擎住現(xiàn)象。態(tài)擎住現(xiàn)象。IGBT在關斷的過程中會產(chǎn)生動態(tài)的擎住效應。動態(tài)擎住所允許在關斷的過程中會產(chǎn)生動態(tài)的擎住效應。動態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住時還要小，因此，制造廠家所規(guī)

30、定的的漏極電流比靜態(tài)擎住時還要小，因此，制造廠家所規(guī)定的IDM值是按動態(tài)擎住所允許的最大漏極電流而確定的。值是按動態(tài)擎住所允許的最大漏極電流而確定的。502022-3-6動態(tài)過程中擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由重加動態(tài)過程中擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由重加dv/dt來決定，此外還受來決定，此外還受漏極電流漏極電流IDM以及結(jié)溫以及結(jié)溫Tj等因素的影響。等因素的影響。在使用中為了避免在使用中為了避免IGBT發(fā)生擎住現(xiàn)象發(fā)生擎住現(xiàn)象:1設計電路時應保證設計電路時應保證IGBT中的電流不超過中的電流不超過IDM值；值；2用加大門極電阻用加大門極電阻RG的辦法延長的辦法延長IGBT的關斷時間，減小重加的關斷時間，減小重

31、加dVDS/dt。3器件制造廠家也在器件制造廠家也在IGBT的工藝與結(jié)構(gòu)上想方設法盡可能提的工藝與結(jié)構(gòu)上想方設法盡可能提高高IDM值，盡量避免產(chǎn)生擎住效應。值，盡量避免產(chǎn)生擎住效應。512022-3-6DS+J1J2J3+（小）（小）IGBT的的C與與E 之間寄生之間寄生了一個晶閘管（具有自了一個晶閘管（具有自鎖能力），為什么不能鎖能力），為什么不能通過通過VG=0而關斷？而關斷？避免避免IGBT在導通后被在導通后被自鎖的設計要點就是要自鎖的設計要點就是要保證保證1+21IGBT擎住效應擎住效應522022-3-6IGBT的擎住（門插銷）效應的擎住（門插銷）效應GCERNRPSCR 靜態(tài)擎住

32、動態(tài)擎住 過熱擎住P區(qū)體電阻區(qū)體電阻RP引發(fā)擎住引發(fā)擎住關斷過急關斷過急位移電流位移電流ECEJidtduCCJPN結(jié)電容RG 不能過小，限制關斷時間。不能過小，限制關斷時間。RP 及及PNP、NPN 電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)因溫度升高而增大。（150時ICM降至1/2）IGBT的安全工作區(qū)正向安全工作區(qū)正向安全工作區(qū)反向安全工作區(qū)反向安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA) 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA） 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定542022-3-6門極驅(qū)動門極驅(qū)

33、動一、驅(qū)動條件：一、驅(qū)動條件：門極驅(qū)動電路的正偏壓門極驅(qū)動電路的正偏壓VGS，負偏壓，負偏壓VGS，門極電阻，門極電阻RG的大小，的大小，決定決定IGBT的靜態(tài)和動態(tài)特性，如：通態(tài)電壓、開關時間、開關的靜態(tài)和動態(tài)特性，如：通態(tài)電壓、開關時間、開關損耗、短路能力、電流損耗、短路能力、電流di/dt及及dv/dt。552022-3-61正偏電壓正偏電壓VGS的影響的影響VGS增加時，通態(tài)壓降下降，開通時間縮短，開通損耗減小，增加時，通態(tài)壓降下降，開通時間縮短，開通損耗減小，但但VGS增加到一定程度后，對增加到一定程度后，對IGBT的短路能力及電流的短路能力及電流di/dt不不利，一般利，一般VGS

34、不超過不超過15V。（。（12V15V）562022-3-62負偏壓負偏壓VGS的影響：的影響：門極負偏壓可以減小漏極浪涌電流，避免發(fā)生鎖定效應，但門極負偏壓可以減小漏極浪涌電流，避免發(fā)生鎖定效應，但對關斷特性影響不大。如圖：對關斷特性影響不大。如圖：572022-3-63門極電阻門極電阻RG的影響：的影響：當門極電阻當門極電阻RG增加時，增加時，IGBT的開通與關斷時間增加，進而的開通與關斷時間增加，進而使每脈沖的開通能耗和關斷能損也增加。使每脈沖的開通能耗和關斷能損也增加。但但RG減小時，減小時，IGBT的電流上升率的電流上升率di/dt增大，會引起增大，會引起IGBT的的誤導通，同時誤導

35、通，同時RG電阻的損耗也增加。電阻的損耗也增加。一般，在開關損耗不太大的情況下，選較大的電阻一般，在開關損耗不太大的情況下，選較大的電阻RG。582022-3-64IGBT驅(qū)動電路設計要求：驅(qū)動電路設計要求：(1)由于是容性輸入阻抗，因此由于是容性輸入阻抗，因此IGBT對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動對門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。(2)用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電以保證門極控制電壓用低內(nèi)阻的驅(qū)動源對門極電容充放電以保證門極控制電壓VGS有足夠陡峭的前后沿，使有足夠陡峭的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。

36、另外的開關損耗盡量小。另外IGBT開通開通后，門極驅(qū)動源應提供足夠的功率使后，門極驅(qū)動源應提供足夠的功率使IGBT不致退出飽和而損壞。不致退出飽和而損壞。(3)門極電路中的正偏壓應為門極電路中的正偏壓應為+12+15V；負偏壓應為；負偏壓應為210V。(4)IGBT多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應與整個控制電路在電位上多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應與整個控制電路在電位上嚴格隔離。嚴格隔離。(5)門極驅(qū)動電路應盡可能簡單實用，具有對門極驅(qū)動電路應盡可能簡單實用，具有對IGBT的自保護功能，的自保護功能，并有較強的抗于擾能力。并有較強的抗于擾能力。(6)若為大電感負載，若為大電感負載，IGBT的關斷時間

37、不宜過短，以限制的關斷時間不宜過短，以限制di/dt所形所形成的尖峰電壓，保證成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。的安全。592022-3-6二、驅(qū)動電路：二、驅(qū)動電路：在滿足上述驅(qū)動條件下來設計門極驅(qū)動電路，在滿足上述驅(qū)動條件下來設計門極驅(qū)動電路，IGBTIGBT的輸入特性的輸入特性與與MOSFETMOSFET幾乎相同，因此與幾乎相同，因此與MOSFETMOSFET的驅(qū)動電路幾乎一樣。的驅(qū)動電路幾乎一樣。注意：注意：1 1IGBTIGBT驅(qū)動電路采用正負電壓雙電源工作方式。驅(qū)動電路采用正負電壓雙電源工作方式。2 2信號電路和驅(qū)動電路隔離時，采用抗噪聲能力強，信號信號電路和驅(qū)動電路隔離時，采用抗

38、噪聲能力強，信號傳輸時間短的快速光耦。傳輸時間短的快速光耦。3 3門極和發(fā)射極引線盡量短，采用雙絞線。門極和發(fā)射極引線盡量短，采用雙絞線。4 4為抑制輸入信號振蕩，在門源間并聯(lián)阻尼網(wǎng)絡。為抑制輸入信號振蕩，在門源間并聯(lián)阻尼網(wǎng)絡。602022-3-6IGBT的驅(qū)動的驅(qū)動柵極布線應注意：柵極布線應注意： 驅(qū)動電路與驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短；的連線要盡量短； 如不能直接連線時，應采用雙絞線。如不能直接連線時，應采用雙絞線。負電壓：負電壓：減小關斷損減小關斷損耗、避免耗、避免du/dt引起引起的誤導通的誤導通612022-3-6622022-3-6632022-3-6三、常用三、常用PWM控制

39、芯片：控制芯片：TL494，SG3524，SG1525，MC3520，MC34060，VC1840，SL-64等。等。四、四、IGBT專用驅(qū)動模塊：專用驅(qū)動模塊：大多數(shù)大多數(shù)IGBT生產(chǎn)廠家為了解決生產(chǎn)廠家為了解決IGBT的可靠性問題，都生產(chǎn)的可靠性問題，都生產(chǎn)與其相配套的混合集成驅(qū)動電路，如日本富士的與其相配套的混合集成驅(qū)動電路，如日本富士的EXB系列、系列、日本東芝的日本東芝的TK系列，美國庫托羅拉的系列，美國庫托羅拉的MPD系列等。這些專系列等。這些專用驅(qū)動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功用驅(qū)動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功能完善，可實現(xiàn)能完善，可實現(xiàn)IGB

40、T的最優(yōu)驅(qū)動。的最優(yōu)驅(qū)動。富士的富士的EXB841快速驅(qū)動電路快速驅(qū)動電路642022-3-6由放大電路，過流保護電路，由放大電路，過流保護電路，5V基準電壓源電路組成。基準電壓源電路組成。具有過流緩關斷功能。具有過流緩關斷功能。（7）IGBT的保護的保護IGBT常用的保護電路有兩種：常用的保護電路有兩種：過電流保護（過電流狀態(tài)檢測）過電流保護（過電流狀態(tài)檢測）過電壓保護（緩沖電路、減小過電壓保護（緩沖電路、減小關斷時的關斷時的di/dt）IGBT的電流容量的電流容量 最大連續(xù)電流最大連續(xù)電流 IC506012018030024075100125150CTc/AIC/CTjm15025CTAI

41、CC125250 最大脈沖電流最大脈沖電流 ICM 最大開關電流最大開關電流 ILMCCMoncIImstCT)(;32125規(guī)定條件下，可重復開關電流的最大值。規(guī)定條件下，可重復開關電流的最大值。CLMgeoncIIVUHLCT).(.;51211520125 允許短路電流允許短路電流 ISC52004006001k80010152025VUge/05AISC/stSC/SCI10201525SCtVUCTCEc700125CSCII)(54IGBT的使用的使用(了解了解)672022-3-6應用實例應用實例一、靜音式變頻調(diào)速系統(tǒng)一、靜音式變頻調(diào)速系統(tǒng)682022-3-6二、工業(yè)加熱電源：6

42、92022-3-6三、逆變弧焊電源：702022-3-6四、不間斷電源：UPS 功率晶體管、功率場效應晶體管和絕緣柵雙功率晶體管、功率場效應晶體管和絕緣柵雙極型晶體管極型晶體管(BJT(BJT、MOSFETMOSFET、IGBT)IGBT)是自關斷器是自關斷器件。用它們作開關元件構(gòu)成的件。用它們作開關元件構(gòu)成的SPWMSPWM變換器，可變換器，可使裝置的體積小、斬波頻率高、控制靈活、調(diào)使裝置的體積小、斬波頻率高、控制靈活、調(diào)節(jié)性能好、成本低。節(jié)性能好、成本低。SPWMSPWM變換器，簡單地說，變換器，簡單地說，是控制逆變器開關器件的通斷順序和時間分配是控制逆變器開關器件的通斷順序和時間分配規(guī)律

43、，在變換器輸出端獲得等幅、寬度可調(diào)的規(guī)律，在變換器輸出端獲得等幅、寬度可調(diào)的矩形波。這樣的波形可以有多種方法獲得。矩形波。這樣的波形可以有多種方法獲得。 逆變器的基本知識逆變器的基本知識脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(SPWM)變換器變換器 1 1SPWMSPWM原理原理 根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)上時，其輸出響應基本相同，且脈沖越窄，輸出的差異越小。它表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無關. 圖中給出了幾種典型的形狀不同而沖量相同的窄脈沖。他們的面積(沖量)均相同。當它們分別作用在同一個的慣性系統(tǒng)上時，其輸出響應波形基本相同。當窄

44、脈沖變?yōu)閳D中(d)所示的單位脈沖函數(shù)時，系統(tǒng)的響應則變?yōu)槊}沖過渡函數(shù)。 圖示 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖中畫出了一正弦波的正半波，并將其劃分為k等分(圖中k7)。將每一等分中的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形波所替代，從而得到一組等效于正弦波的一組等幅不等寬的矩形脈沖的方法稱為逆變器的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)。 2單極性調(diào)制 3雙極性調(diào)制 一般將正弦調(diào)制波的幅值與三角載波的峰值之比定義為調(diào)制度M(亦稱調(diào)制比或調(diào)制系數(shù)。 在SPWM變換器中，使用最多的是三相橋式逆變器。三相橋式逆變器一般都采用雙極性控制方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用一個三角波載波信號

45、，用三個相位互差120的正弦波作為調(diào)制信號，以獲得三相對稱輸出。U、V和W各相功率開關器件的控制規(guī)律相同。 三相橋式逆變器 在雙極性SPWM控制方式中，同一相上、下兩個臂的驅(qū)動信號都是互補的。但實際上為了防止上、下兩個臂直通而造成短路，在給一個臂施加關斷信號后，再延遲時間，才給另一個臂施加導通信號。延遲時間的長短主要由功率開關器件的關斷時間決定。這個延遲時間將會給輸出的SPWM波形帶來影響，使其偏離正弦波。 圖示為 三相SPWM波形 3SPWM的優(yōu)點的優(yōu)點 (1) 在一個可控功率級內(nèi)調(diào)頻、調(diào)壓，簡化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小、重量輕、造價低。 (2) 直流電壓可由二極管整流獲得，

46、交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)接近1；如有數(shù)臺裝置，可由同一臺不可控整流器輸出作直流公共母線供電。 (3) 輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應的速度取決于電子控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無關，所以調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動態(tài)性能。 （4）輸出電壓或電流波形接近正弦，從而減少諧波分量。 4關于關于SPWM的開關頻率的開關頻率 SPWM調(diào)制后的信號中除了含有調(diào)制信號和頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量之外，幾乎不含其它諧波，特別是接近基波的低次諧波。因此， SPWM的開關頻率愈高，諧波含量愈少。當載波頻率越高時，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。

47、但是，SPWM的載波頻率除了受功率器件的允許開關頻率制約外，開關器件工作頻率提高，開關損耗和換流損耗會隨之增加。另外，開關瞬間電壓或電流的急劇變化形成很大的或，會產(chǎn)生強的電磁干擾；高、還會在線路和器件的分布電容和電感上引起沖擊電流和尖峰電壓 842022-3-6在一定程度上回避了功率集成電路（PIC)高低壓電路之間的絕緣問題，以及溫升和散熱的問題，只將保護和驅(qū)動電路與IGBT器件集成在一起，也稱智能IGBT,這些年來獲得了迅速發(fā)展，在中小功率有廣泛的應用場合，在個別較大功率場合也有一定的應用。第三節(jié)第三節(jié) 智能功率模塊智能功率模塊852022-3-61 1IPMIPM的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) IPM有兩大類型：一種是小功率IPM，采用多層環(huán)氧樹脂隔離；另一種大功率IPM，采用陶瓷絕緣和銅骨架連接。 。 智能功率模塊是電子集成電路PIC 的一種。它將高速度、低功耗的IGBT，與柵極驅(qū)動器和保護電路一體化，因而具有智能化、多功能、高可靠、速度快、功耗小等特點。 目前IPM一般采用IGBT作為功率開關器件，因而電流電壓容量都較大，適用范圍更廣 。862022-3-6872022-3-6882022-3-62 2IPMIPM的優(yōu)點的優(yōu)點 3 3IPMIPM的內(nèi)藏功能的內(nèi)藏功能可歸納為以下幾個