IGBT的工作原理和工作特性.docx
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IGBT的工作原理和工作特性
IGBT的工作康理和工作特ft
IGBT的开关作用是通过加正向柵极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电说,使IGBT导通。
反之,H反向D板电压消除沟道,浹过反肖基根电if,ftIGBT关断。
IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需輕制输人极N-沟道MOSFET,所以貝有高输入皿抗特性。
当MOSFET的沟道形底后,从P+基极注人到N-层的空兀(少子),对N-层进行电导调耳,城小N—层的电讯,®IGBT在高电压时,也貝有低的通态电压。
IGBT曲工作特性包招静奈和动矗两类:
1.静去特性IGBT的静态特牲壬要有伏安特牲、转杨将性棚开关特性。
IGBT的伏安特性是惰以讯源电压Ugs为参变量时,演板电滾与HJI极电压之间的关系曲线。
输出漏机电流比受柵淪电压Ugs的控M,Ugs越髙,Id毬大。
它与GTR的输出特牲相仏也可什为饱和区1、放大区2和击穿特住3部什。
在彼止状态下的IGBT,正向电压由J2结承担,反向电压由J1结承担。
如果无N+缓冲区,剧正反向讯断电压可以似別同样水平,加人N+媛冲区后,反向关撕电压只能达月几十伏水平,因此眼制了IGBT的某些应用国。
IGBT的转密特性是惰输出漏板电流Id与冊源电压Ugs之间的关系曲线。
它与MOSFET的转粽特性相同,当卅源电压小
于开启电压Ugs(th)旳,IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大册什漏檢电潼田,Id与U°s呈线性关系。
最高柵源电压受最大漏机电渝眼制,其最佳値一般取为15V左右。
IGBT的开关特性是指漏板电流与漏源电压之间的关系。
IGBT处于导通态旳,由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管,斯以其B值根低。
尽管等效电路为这M顿给枸,個通过MOSFET的电说成为IGBT总电流的主要部分。
此时,通态电压Uds(on)«J用下式表示:
Uds(on)=Uj1+Udr+ldRoh(2-14)
式中Uj1—JI结的正向电压,其值为0.7-IV;
Udr一扩展电PflRdr±的压降;Roh一沟谊电阳。
通态电流Ids可用下式表示:
lds=(1+Bpnp)lmos(2-15)
式中Imos——通0MOSFET的电流。
由于N+区存在电导调制效应,所以IGBT的通态压降小,耐压1000V的IGBT通态压降为2~3V。
IGBTft于撕态时,只有很小的泄漫电渝存在。
2.动态特性IGBT在开通过程中,大部弁时同是作为MOSFET来运行的,只是在漏漏电压Uds下降过程后期,PNP晶体管由故大区至馳和,艮熠加了一段址迖时同。
td(on)为开通世迖时同,tri为电沆上升附间。
实麻应用中常给出的漏极电谦开通时间ton即为td(on)tri之和。
漏谊电压的下降时同由tfe1和tfe2组成,如图2-58所示
IGBT在关断过存巾,漏檢电渝的波形变为两段。
因为MOSFET关撕后,PNP晶体菅的存储电商难以迅速消除,逋成漏楡电流较长的尾部时间,td(off)为关断麓迟时间,trv为电圧UdS(f)的上升时同。
实麻应用中常常给出的漏檢电滾的下降附同Tf由图2-59中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏板电浹的关耐间t(off)=td(off)+trv+t(f)(2・16)
式中,td(off)与trv之柯艮林为存储时间。
IGBT的基本结构
绝缘柵双极晶体管(IGBT)本质上是一个场效应晶体管,只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。
根据国际电工委员会的文件建议,其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名。
图1所示为一个N沟道增强型绝缘柵双机晶体管结构,N+区称为源区,附于其上的电极称为N+区称为漏区。
器件的控制区为栅区,附于其上的电机称为柵机。
沟道在紧靠ffiEffl界形成。
在漏、源之间的P型区(包括P+和P—区)(沟道在该区域形成),
称为亚沟道区(Subchannelregion)o而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Draininjector),它是IG盯特有的助能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,起发射机的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电圧。
附于漏注入区上的电机称为漏机。
为了兼顾长期以来人们的习惯,IEC规定:
源极引出的电极端子(含电极竭)称为发射极端(子),漏极引出的电机端(子)祢为集电极端(子)。
这Q回到双机晶体管的术语了。
但仅此而已。
IGBT的结构剖面图如图2所示。
它在结构上类俶于M0SFET,其不同点在TIGBT是在N沟道功率M0SPET的N+基檢(漏极)上増抽了一个P+基檢(IGBT的集电极),形成PN结j1,并由此引出漏机、柵机和源极则完全与M0SFET相似。
•咐柚wr
图253N肉遗増强S1您馆
图1N沟道IGBT结构
图2IGBT的第构剖面图
由图2可以看出,IGBT相当于一个由M0SFET驱动的厚基区GTR,其简化等效电路如图3所示。
图中Rd「是厚基区GTR的扩展电阻。
IGBT是以GTR为主导件、M0SFET为驱动件的夏合结构。
IGBT的間化需效曲皑
b)
N沟道IGBT的图形符号有即种,如图4所示。
实际应用时,常使用图2-5所示的符号。
对于P沟道,图形符号中的箭头方向恰好相反,如图4所示。
樹256N-1GBT的图形符号
IGBT的开通和关断是由柵机电压来控制的。
当柵机加正电压附,MOSFET形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而便IGBT导通,此时,UP+区注到N—区进行电导调制,减少N-区的电Rdr值,使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。
在柵IB±HD负电压时,MOSFET的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切Bi,IGBT即关断。
正是由于IGBT是在N沟道MOSPET的N+基檢上抽一层P+基檢,形成了四层结构,由PNP-NPNffitt管构成IGBTo但是,NPN品体管和发射极由于钳电极短路,设廿时尽可能使NPN不起作用。
所以说,IGBT的基本工作与NPN晶体管无关,可以认为是将N沟道MOSPET作为输人极,PNP晶体管作为输岀机的单向达林硕管。
采取这样的结构可在N—层作电导率调制,提高电流密度。
这是因为从P+基檢经SN+层向高电皿的N—层注入少量载流子的结果。
IGBT的设廿是通过PNP-NPN晶体管的连接形成晶闸管。
2.IGBT模块的术语及其特性术语猊明
术语
符号
定义及说明(渭定条件参改说明书)
集电根、发射极间电压
VcES
柵极、发射IS间短路时的集电极,发射IS间的最大电压
柵板发极间电压
Vges
集电股、发射股间短路时的柵股,发射股间最大电压
集电根电流
lc
集电18所允许的最大直流电运
耗散助率
Pc
单个IGBT所允许的最大耗散劝率
Ti
元件连续工作时芯片温厦
关断电流
Ices
ffitfis发射极间短路,在集电极、发射极间加上指定的电压时的集电极电流。
漏电流
IGES
集电榄、发射极间姬路,在柵枚、集电1S间加上指定的电压
时的flits漏电浦
龜和压降
VCE(sat)
在指定的集电极电流和柵极电压的情况卞,集电极、
发射极间的电压。
输人电容
Clss
集电股、发射极间处干交流短路状态,在ffllfis发射极间及
集电极、发射枚间in上指定电压时,椭板、发射榄同的电容
3.IGBT模块使用上的注意事项
1.IGBT模块的选定
在使用IGBT模块的场合,选择何种电压,电流规格的IGBT模挟,需要做周密的考虑。
a.电浦規格
IGBT模块的集电极电流增大时,Vce(_)上升,所产生的额定损耗亦变大。
同时,开关损
耗増大,原件发热加剧。
因此,根据额定损耗,开关损耗所产生的热量,控制器件结温(T」在15(rc以下(通常为安全起见,以125七以下为宜),请使用这时的集电流以下为宜。
特别是用作高频开关时,由于开关损耗増大,发热也抽别,需十分注意。
一般来说,要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用,八经济角度逆是值得推荐的。
b•电压規格
IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电漏即市电电源电压紧密相关。
其相互关系列于表1。
根据使用目的,并参考本表,请选择相应的元件。
元器件电压规格
600V
1200V
1400V
电源
电压
200V;220V;230V;240V
346V;350V;380V;400V;415V;440V
575V
2.防止静电
IGBT的Vge的IW压值为±20V,在IGBT模块上枷出了起出耐压值的电压的场合,由于
会导致损坏的危险,因而在栅机-发射极之间不能超出耐压值的电压,这点请注意。
在便用装置的场合,如果柵极回路不合适或者栅极BI路完全不能工作时(册极处于开路状态),若在主回路上枷上电压,JMIGBT就会损坏,为肮止逆类损坏情况发生,应在柵极一发射极之间接一只10kQ左左的电阻为宜。
此外,由于IGBT模块为MOS結构,对于静电就要十分注意。
因此,请注意下面几点:
1)在使用模決时,手持分装件时,请勿融模驱动端子SStfto
2)在用导电林料连接驱动端子的模块时,在配线未布好之前,请先不要接上模块。
3)尽量在底扳良好接地的悄况下操作。
4)当必须要触模模块端子时,耍先稱人体或衣服上的静电应电后,再
5)在焊接作业时,焊机与焊槽之同的漏泄容易引起静电压的产生,为了航止静电的产生,靖先将焊机处于良好的接地状态下。
6)装部件的容器,请选用不带静电的容器。
3•并联|BJi
用于大容量逆变器等控制大电流场合使fflIGBT模挟时,可以使用多个器件并联。
并联时,要使每个器件流过均等的电流是非常重要的,如果一旦电流平働达到破坏,那么电过于集中的朋个器件將可能被损坏。
为使并联时电流能平衙,适当改变器件的特性员接线方法。
例虬挑选器件的%相同的并联是很重要的。
4•其他注意事項
1)保存半导体原件的场所的温度,温度,应保持在常温常湿状态,不应偏离太大。
常温的规定为5-359,常湿的规定为45—75%左右。
2)开、关时的浪涌电压等的測定,请在端子处測定。
图2・59关断时IGBT的电流•电压波形
实验目的
1.熟悉IGBT主要参散与开关特H的清试方法。
2.辛拥混合集咸堰动电谿EXB840的工作原理与调试方法。
二、实验容
1.IGBTJ要蔘数關试。
2.EXB840性能測试。
3.IGBTff关特性關试。
4.过通保护H能渭试。
三、实验设备和仪器
1.MCL系列教学买螫台主控制屏
2.MCL-07电力电子买螫筍中的IGBT与PWM波形发生器翎分。
3.万用表二块
4.孜歸示波器。
见图5—1Q
五、实验方法
1.IGBT主更參数剧试
(1)开启啊値电压Vgsm測M
在主回路的“1”鋼与IGBT的“18”端之冋吊人空安表,将主回路的“3"与“4”端分别与IGBT管的“14"与“17"端相连,再在“14”与“17”端间接人电压表,并将主回殆电位器RP左便到KL将电位器RPifS向右就转,遡龌转血监視毫安表,当漏檢电滾|D=1mABJ的欄報电压值即为开启IRI值电压Vgshmp
读%6—7组Id、Vgs,其中1^=1mA助測,境人表5—1。
表5-1
Id(mA)
1
Vgs(V)
(2)腐导呎渭试
任主回路的“2”竭与IGBT的“18"尬吊人安培表,帶RP左敝鸟駐,其余按线同上。
将RP遜渐向右臨转,itHiIo与对SfflVGsffi,渭虽5-6绍数需.填人表5-20
表5-2
Id(mA)
1
Vgs(V)
(3)导通电RlRcxsiM
将电压表接人诃与W两孰其余同上,八小到大改变V斷读朋Id与对应的漏潔电压Vos,«55-6fflSlg,«人表5-30
表5-3
Id(mA)
1
Vgs(V)
2.EXB840ft能團试
⑴聯人输出聂附时同測
IGBT路分的UV与“13”分别与PWMJO发生部分的UV与叨相连,再将IGBT路分的竹(F与鬥3刀、与D聯人“2”与“1”相连,用示波器规察输人“1”与“13”及EXB840*出“12”与“13"之冋波弘,记录开通与关新港讯田冋。
tm=,ttft=o
(2)保护聯出an分光"豐附附何測试
将IGBT丽分“10"与“13"的连线断开,并将“6”与«7"相连。
用示波器观察“8”与“13"及“4”与“13”之何波形,记录延附时同。
(3)曲慢速关断附何測试
接线同上,用示溃器理泉“1”与“13”6“12”与“13”之恫波形,兄录慢逮关断时同°
(4)关閒时的负卅圧葩试
断开“10”与“13”的相il,其余接线同上,用示波器规察“12”与“17”之同波附,记录关断时的负HI压值。
(5)域流囲值电压測试
断开"10”与"13”,“2”与“1”的相连,分M连接“2"与“3",“4”与“5”,"6"与“7”,将主回路的“3”与“4"分别和“10”与“17"相jf,即按照以下表怡的说明直技。
I&BT;17
5
IGBT:
10
X
IGBT:
4
a
IGBT:
6
t
IGBT:
2
$
IGBT:
12
Q
主回路;4
主回略:
3
IGBT:
5
IGBT:
7
IGBT:
3
IGBT:
14
RP左M-JiJK,用示波器腿察“12”与“17”2fOJIh為RPilSi向右臨转,址碇转迪盟视液形,一旦孩波的消失时朋停止陡转,滝岀主回路“3”与“4”2同电压値,孩IS即片ili和呆护阀値电压值。
(6)4竭外接电容器C,助袋測试一供敦师研究用
EXB840使用手冊中说明兹电容器的作用是助止11SR护电路娱动作(绝大8!
分场合不需要电容器)。
a.C1不接,鬧呈“8”与"13”之冋派形。
b.“9”与“13"相连时,溥虽"8”与“13"之同波附,并与上述液莎相比较。
3.开关醫性澳加
(1)电R!
负我时开关将性需试
将“1”与“13”井别与波形发生器“1”与“2”相连,“4"与“5","6”与“7",12“与”3“,M2"与“14",“10"与“18",“17"与“16"相连,主回路的“1”与“4”分别和IGBT部分的“18”与“15”相连。
即按照以下表幡的说明连爼。
IGBT:
1
IGBT;
13
IGBT:
4
IGBT:
6
IGBT:
2
IGBT:
12
0
Q
Q
t
J
J
PWN:
1
-™:
2
IGET:
5
IGBT:
7
IGBT:
3
IGBT:
14
IGBT:
17
IGBT;
10
IGBT:
15
IGBT:
18
Q
0
j
IGBT:
16
IGBT:
18
主回路:
4
主回路:
1
用示渡器分别兀泉“18"与“15"及“14"与“15”的波阱,记录开通楚迖时何。
(2)电RI,电感负更时开关特性測慎
将主回路"1”与“18"的if线原开,丙将壬回齡“2”与“18”相连,用示波器分别规察“18”与"15”M“16”与“15”的液形,记录ffiS迟时间。
(3)不同H板电用耐开关特性渭试
将“12"与“14”的连找断开,RW«1F与“14”相连,績板电®URs=3kQft^R.=27Q,其余接线与溥试方法同上。
4.并联级冲电路作用甜试
(1)电顒负教,有与没有缓冲电路时更察“14"与“仃”及“18"与“17"之同液〃。
(2)电阳,电感负義,有与设有昴冲电路时,更察波形同上。
5.逆沱保护性能需试,H廿电用用&
在上述接线基出上,将"4"与“5”,“6”与"7”相连,观察“14”与“17”之冋波附,怎后将“10”与“18”之间连线除
开,并兀察驰动溃形是否消失,过说后示灯是否发売,惜故隔消除后,做貝位按超即可织续试螫。
穴、实验报告
1.HI折所測数弱,绘H1IGBT的主要参数的表恪与曲炭o
2.鉴岀输人、1^11115对光霸述时"及慢速关斷等波齡,并廉出址耐与慢速关斷讯何。
3.母出所測的负压值与述运詞値电压值。
4.绞出电阳负更,电RI电SftlUlS不同柵板电R1时的开关波形,并在图上标出匕与如。
5.變出电阳负更与电R1、电感负義有与没有并联级冲电路旳的开关液幣,并说明并联级冲电路的作用。
6.过说保护1?
能遇试结果,并对馥过说廉护电路卄出评仰。
7.实验的收荻、体会与枚避总见。
七、思考題
1.试对由EXB840仲成的驰动电殆的优缺虑作出评价。
2.在选用二板管V,时,对其参数有何要求?
其正陶压薛大爪对IGBT的过说用护力能有河彫喑?
3.ifiUMOSFET与IGBT器件的实验,尬你对阳音在驰动电路的要求,开关特11与开关颛率,有
、无反并取寄生二檢管,电滾、电压容呈以及使用中的注恿串填等方面作一分折比较。
152
4
146
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15馬16
S5-1IGET实脸电賂
市学并电子产品的购买方求
IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用fIft率M0SFET的自然进化。
MOSFET由干实观一个较高的击穿电压BVDSS需要一f澹漏通道,而逆f通iSfllR有很高的电朋率,因而造戒助率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,
IGBT消除了现有功率MOSFET的迪些壬要缺点。
虽然最新一代劝率MOSFET器件大偏度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,助率导通损耗仍然更比IGBT髙出很多。
IGBT较低的压降,转换戒一个KVCE(sat)的能力,以及IGBT的给构,与同一个标准双机器件Hitt,可支持更髙电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。
1.IGBT的结构与工作原理图1所示为一个N沟道增强型见缘柵双板晶体管结枸,N+区称为源区,附干其上的电板称为源板oN+区怖力漏区。
器件的拎制区为柵区,附于耳上的电檢称力柵枚。
沟道在紧靠柵区14界形成。
在漏、涮之间的P塑区(包招P+和P—区)(沟道在该区域形成),林为亚沟道区(Subchannelregion)o而在漏区另一側的P+区称为漏注人E(Draininjector),它是IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP取根晶体管,起发射根的作用,向漏板注人空穴,进行导电岡制,以降低器件的通态电圧。
附干漏注入区上的电根称为漏根。
IGBT的开关作用是通过加正向栅板电压形应旳道,给PNP品U管提供基板电浹,便IGBT导通。
反之,加反向门板电压消除沟道,浹过反向基様电说,便IGBT关断。
IGBT的驱动方法和M0SFET基本曲间,只需控制揄人根N一沟道MOSFET,所以具有高聯人皿折特性。
当M0SFET的沟道形成后,UP+基极注人到N—层的空冗(少子),对N—层进行电导期制,騷小N—层的电恤,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电圧。
2.IGBT的工作将性
1•静态特性
IGBT的静态特It主要有伏安特性、转務特性和开关特性。
IGBT的伏安制是指从桶混电压Ugs为参变量时,漏板电浹与柵枚电压之间的关系曲线。
输岀爲根电流比受栅海电压Ugs的控制,Ugs趙高,Id越大。
它与GTR的输出特ttHIIU.也可分为鬼和区1、股大区2和击穿特性3部分。
在筱止状态下的IGBT,正向电压由J2给承担,反向电圧由J1结承担。
如果无N+缓冲区,则正反向阳断电压可以宦到间样水平,加人N+缓冲区后,反向关撕电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT的杲些应用围。
IGBT的转務特性是指输岀漏板电说Id与柵混电压Ugs之间的关系曲找。
它与M0SFET的转務特11«|同,当栅澡电压小干开启电圧Ugs(th)时,IGBT处于关断状态。
在IGBT导通后的大部分漏枚电浹围,Id与Ugs呈线性关系。
最高榔濂电压受最大漏板电说限制,取为15V左右。
IGBT的开关特性是荷漏枚电逍与漏澹电压之间的关系。
IGBT处于导通态时,由干它的PNPJJUfi为宽基区晶体管,尽管等效电路力达林硕结构,但illiiMOSFET的电浦成为IGBT总电渣的主要郡分。
此时,通态电圧Uds(on)可用下式表示:
Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh
直中Uj1—JI结的正向电压,貝値为0.7~1V;Udr一扩展电即Rdr上的压降;Roh一沟道电朋。
通态电济Ids可用下貳表示:
lds=(1+Bpnp)lmos
式中Imos—渝过MOSFET的电说。
由TN+区存在电导调制效应,HillIGBT的通态圧降小,耐压1000VIGBT通态压肾为2~3V。
IGBT处于斷态时,只有很小的泄漏电流存在。
2•动态特性
IGBT在开通过样屮,大部分时间是作为MOSFET来运行的,只是在漏涮电压Uds下眸过f?
后期,PNP晶U管由笊大区至饱和,艮增加了一段楚迟时间。
td(on)为开通世迟时间,tri为电说上升时间。
实际应用中常给出的漏枚电逍开通时同ton即为td(on)tri之和。
漏源电压的下降时同由tfe1和tfe2组成。
IGBT的般发和关斷要求给具桶根和基様之间加上正向电压和负向电压,柵枚电压可由不同的驱朋电路产生。
当选择这些驱动电路时,吩须基于以下的参数来&\1:
器件关斷倫置的要求、柵机电荷的要求、耐固忙要求和电滦的情况。
因为IGBTiffi-发射根皿抗大,故可使用MOSFET驱动枝术进行触发,不过由于IGBT的输人电容较MOSFET为大,WIGBT的关断倫压应域比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更畐。
IGBT的开关速厦低于MOSFET,E明显高于GTR。
IGBT在关断时不需要负柵压来械少关断时间,但关斷时冋师柵板和发射极并联电讯的增加而增加。
IGBT的开启电圧约3~4V,和MOSFET相当。
IGBT导通时的饱和圧跨比MOSFET低而和GTR接近,鬼和压撕闻柵様电压的增加而降低。
正直商用的高压大电«IGBT器件至今閒未出规,貝电压和电浹容量还很有限,远远不能满定电力电子应用技术发展的需求,特别是在高压領域的弁乡应用屮,要求器件的电圧等级达到10KVU上。
目前只能jfiilIGBTM压串联等技术来实现高压应用。
国外的一些厂家如览士ABB公司采用软穿通原團研制出了8KV的IGBT器件,徳国的EUPEC生产的6500V/600A0压大功率IGBT器件已经获得实岳应用,日本东芝也已涉足该颉域。
与此同时,各大半导体生严「商不斷开发IGBT的高耐压、大电逍、高速、低饱和压降、高可靠性、低应本技术,壬要采用1um以下晴作工艺,研制开发取得一些新进展。
3.IGBT的工作原理
N沟型的IGBTI作是通过桶枚■发射极间电压VTH«上的(
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