IGBT在电机驱动中的主要作用.docx

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1、IGBT在电机驱动中的主要作用目录1 .什么是IGBT12 .IGBT的工作特性32. 1.静态特性32.2.动态特性43.IGBT的工作原理43. 1.概述43. 2.导通63. 3.导通压降73. 4.关断73. 5.反向阻断73. 6.正向阻断73. 7.闩锁84. IGBT的优缺点84. 1.优点：85. 2.缺点：96. IGBT的主要参数9?GBT的静态特性曲线9?转移特性曲线10?输出特性曲线117. IGBT在电机驱动中所发挥的作用127. 1.概述138. 2.电能转换139. 3.控制电流和电压1310. .提供高效的能量转换1311. 5.实现保护功能1312. 6.支持

2、多种控制策略138. IGBT如何选型131 .什么是IGBT绝缘栅双极晶体管(InSU1ate-GateBipo1arTransistor-IGBT)综合了电力晶体管(GiantTranSiStor-GTR)和电力场效应晶体管(POWerMoSFET)的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。绝缘栅双极晶体管(InSU1ate-GateBipo1arTransistor一IGBT)综合了电力晶体管(GiantTranSiStor-GTR)和电力场效应晶体管(PoWerMoSFET)的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集

3、电极和发射极。IGBT(InSUIatedGateBiPo1arTranSiStOr)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流IOA以上、频率为IkHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器(逆变器卜照相机的频闪观测器、感应加热(IndUCtiOnHeating)电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从T0-3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD(F1eeWheeIDiOde)成对地(2或6组)封装起来的模块型，

4、主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(On)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(On)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(Sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，

5、并简化IGBT驱动器的原理图。IGBT,绝缘栅双极型晶体管，是由(BJT)双极型三极管和绝缘栅型场效应管(MoS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有(MOSFET)金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管(GTR)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；(因为Vbe=O.7V,而IC可以很大(跟PN结材料和厚度有关)MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。(因为MOS管有Rds,如果IdS比较大，就会导致VdS很大)IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流

6、电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。IGBT最主要的作用就是把高压直流变为交流，以及变频(所以用在电动车上比较多)。压交流2 IWJ压直流3 .IGBT的工作特性2. 1.静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压UgS的控制，UgS越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似.也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的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，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，

7、反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与UgS呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。由于N+区存在电导调制效应,所以IGBT

8、的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为23V0IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。2.2.动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压UdS下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要

9、求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极发射极阻抗大，故可使用MoSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT的开关速度低于MoSFET,但明显高于GTRoIGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V,和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的高压大电流IGBT器件至今尚未出现，其电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求，

10、特别是在高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到IOKV以上。目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术,主要采用IUm以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。3.IGBT的工作原理3. 1.概述忽略复杂的半导体物理推导过程，下面是简化后的工作原理。IGBT有N沟道型和P沟道型两种，主流的N沟道IGBT的电路

11、图符号及其等效电路如下:IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中（感性负载）需要搭配适当的快恢复二极管。N沟型的IGBT工作是通过栅极发射极间加阀值电压VTH以上的（正）电压,在栅极电极正下方的p层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的n层注入电子。该电子为p+np晶体管的少数载流子，从集电极衬底p+层开始流入空穴，进行电导率调制（双极工作），所以可以降低集电极-发射极间饱和电压。在发射极电极侧形成n+pn-寄生晶体管。若n+pn-寄生晶体管工作,又变成p+n-pn+晶闸管。电流继续流动，直到输出侧停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭

12、锁状态。为了抑制n+pn寄生晶体管的工作IGBT采用尽量缩小p+np晶体管的电流放大系数作为解决闭锁的措施。具体地来说，p+-p的电流放大系数设计为0.5以下。IGBT的闭锁电流I1为额定电流（直流）的3倍以上。IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压UGE决定。3. 2.导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+基片和一个N+缓冲层（NPT.非穿通-IGBT技术没有增加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一

13、个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生-股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET电流）；空穴电流（双极）。UGE大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。3. 3.导通压降电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。3. 4.关断当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOS

14、FET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和TC有关。栅射极间施加反压或不加信

15、号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。3. 5.反向阻断当集电极被施加一个反向电压时，J1就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N.区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力,所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。3. 6.正向阻断当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，PNJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。3. 7.闩锁IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。二是降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了