igbt工作原理及應用

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的保護
引言
絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,因此,可以把其看作是MOS輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn),既具有MOSFET器件驅動(dòng)簡(jiǎn)單和快速的優(yōu)點(diǎn),又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn),因而,在現代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應用。
在中大功率的開(kāi)關(guān)電源裝置中,IGBT由于其控制驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn),已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開(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,使得它容易損壞,另外,電源作為系統的前級,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IGBT的保護設計也是電源設計時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節。
　　1 IGBT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)射極之間加上驅動(dòng)正電壓,則MOSFET導通,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給,使得晶體管截止
由此可知,IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：
——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的結溫。
如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅動(dòng)電壓過(guò)低,則IGBT不能穩定正常地工作,如果過(guò)高超過(guò)柵極－發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過(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)射極允許的最大電流,IGBT的結溫超過(guò)其結溫的允許值,IGBT都可能會(huì )永久性損壞。
2 保護措施
在進(jìn)行電路設計時(shí),應針對影響IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相應的保護措施。
2．1 IGBT柵極的保護
IGBT的柵極－發(fā)射極驅動(dòng)電壓VGE的保證值為±20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓,則可能會(huì )損壞IGBT,因此,在IGBT的驅動(dòng)電路中應當設置柵壓限幅電路。另外,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,則隨著(zhù)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)射極間處于高壓狀態(tài)時(shí),可能會(huì )使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設備在運輸或振動(dòng)過(guò)程中使得柵極回路斷開(kāi),在不被察覺(jué)的情況下給主電路加上電壓,則IGBT就可能會(huì )損壞。為防止此類(lèi)情況發(fā)生,應在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雙極晶體管的復合體,特別是其柵極為MOS結構,因此除了上述應有的保護之外,就像其他MOS結構器件一樣,IGBT對于靜電壓也是十分敏感的,故而對IGBT進(jìn)行裝配焊接作業(yè)時(shí)也必須注意以下事項：
——在需要用手接觸IGBT前,應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全部放掉;
——在焊接作業(yè)時(shí),為了防止靜電可能損壞IGBT,焊機一定要可靠地接地。IGBT在不間斷電源的應用.
2．2 集電極與發(fā)射極間的過(guò)壓保護
過(guò)電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況,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的前一級輸入發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時(shí),進(jìn)行降額設計;另外,可在檢測出這一過(guò)壓時(shí)分斷IGBT的輸入,保證IGBT的安全。
2.2.2 浪涌電壓的保護
因為電路中分布電感的存在,加之IGBT的開(kāi)關(guān)速度較高,當IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時(shí),就會(huì )產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt,威脅IGBT的安全。
通常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。
如果VCESP超出IGBT的集電極－發(fā)射極間耐壓值VCES,就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：
——在選取IGBT時(shí)考慮設計裕量;
——在電路設計時(shí)調整IGBT驅動(dòng)電路的Rg,使di/dt盡可能小;
——盡量將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;
——根據情況加裝緩沖保護電路,旁路高頻浪涌電壓。
由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著(zhù)很重要的作用,在此將緩沖保護電路的類(lèi)型和特點(diǎn)作一介紹。
—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)單,其缺點(diǎn)是由分布電感及緩沖電容構成LC諧振電路,易產(chǎn)生電壓振蕩,而且IGBT開(kāi)通時(shí)集電極電流較大。
——RC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。
——RCD緩沖電路如圖4(c)所示,與RC緩沖電路相比其特點(diǎn)是,增加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。
——放電阻止型緩沖電路如圖4(d)所示,與RCD緩沖電路相比其特點(diǎn)是,產(chǎn)生的損耗小,適合于高頻開(kāi)關(guān)。
在該緩沖電路中緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗為
P=1/2LI2f+1/2CUf
根據實(shí)際情況選取適當的緩沖保護電路,抑制關(guān)斷浪涌電壓。在進(jìn)行裝配時(shí),要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感,接線(xiàn)越短越粗越好。

IGBT在不間斷電源的應用