2.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）_变频器、可编程序控制器、触摸屏及组态软件综合应用技术-QQ阅读男生武侠网

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2.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

2.4.1 IGBT的特点

绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor，IGBT）由于BJT是电流控制型器件，对基极驱动功率要求高，常常会因驱动功率、关断时间、开关损耗等问题引起器件损坏，更还有二次击穿的特殊问题。此外受存储时间影响，开关速度不高。MOSFET为电压控制型器件，驱动功率小，开关速度快，但存在通态压降大、电流容量低等问题，难于制成高电压、大电流器件。20世纪80年代出现了将它们导通机制相结合的第3代电力电子器件——IGBT。这是一种双（导通）机制的复合器件，它的输入控制级为MOSFET，输出级为BJT，它集中了MOSFET及BJT的优点，具有高输入阻抗、可采用逻辑电平来直接驱动、实现电压控制、开关速度高、饱和压降低、电阻及损耗小、电流与电压容量大、抗浪涌电流能力强、没有二次击穿现象、SOA宽等优点。

2.4.2 IGBT的结构与工作原理

1.IGBT的结构

IGBT的基本结构如图2-21a所示，与P-MOSFET结构十分相似，相当于一个用MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。仔细观察发现其内部实际上包含了两个双极型晶体管P+NP及N+PN，它们又组合了一个等效的晶闸管。这个等效晶闸管将在IGBT使用中引起一种“擎住效应”会影响IGBT的安全使用。

图2-21 IGBT示意图

a）结构示意图 b）等效电路 c）图形符号

2.IGBT的工作原理

IGBT的等效电路如图2-21b所示，是以PNP型厚基区BJT为主导器件、N沟道MOSFET为驱动器件的达林顿电路结构器件。R_dr为BJT基区内的调制电阻。图2-21c则是IGBT的电路图形符号。

IGBT的开通与关断由栅极电压控制。栅极上加正向电压时，MOSFET内部形成沟道，并为PNP型晶体管提供基极电流，此时从P^+注入至N区的少数载流子空穴对N区进行电导调制，减少该区电阻R_dr，使IGBT高阻断态转入低阻通态。在栅极加上反向电压后，MOSFET中的导电沟道消除，PNP型晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

2.4.3 IGBT的工作特性

1.静态特性

IGBT的静态特性主要有输出特性及转移特性，如图2-22所示。输出特性表达了集电极电流I_C与集电极-发射极间电压U_CE之间关系，分饱和区、放大区及击穿区，饱和导通时管压降比P-MOSFET低得多。IGBT输出特性的特点是集电极电流I_C由栅极电压U_G控制，U_G越大，I_C越大。在反向集射极电压作用下，器件呈反向阻断特性，一般只流过微小的反向漏电流。

图2-22 IGBT的输出特性和转移特性

a）输出特性 b）转移特性

IGBT的转移特性表示了栅极电压U_G对集电极电流I_C的控制关系。在大部分范围内，I_C与U_G呈线性关系；只有当U_G接近开启电压U_G（th）时，才呈非线性关系，I_C变得很小；当U_G<U_G（th）时，I_C=0，IGBT处于关断状态，由于U_G对I_C有控制作用，所以最大栅极电压应受最大集电极电流I_GM的限制，其最佳值为U_G=15V。

图2-23 IGBT的开关特性

2.动态特性

IGBT的动态特性即开关特性，如图2-23所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决定。当栅极电压U_G达到开启电压U_G（th）后，集电极电流I_C迅速增长，其中栅极电压从负偏置值增大至开启电压所需时间t_d（on）为开通延迟时间；集电极电流由10%额定值增长至90%额定值所需时间为电流上升时间t_ri，故总的开通时间为

t_on=t_d（on）+tri

IGBT的关断过程较为复杂，其中U_G由正常15V降至开启电压U_G（th）所需时间为关断延迟时间t_d（off），自此I_C开始衰减。集电极电流由90%额定值下降至10%额定值所需时间为下降时间t_fi=t_fi1+t_fi2，其中t_fi1对应器件中MOSFET部分的关断过程，t_fi2对应器件中PNP晶体管中存储电荷的消失过程。由于经t_fi1时间后MOSFET结构已关断，IGBT又未承受反压，器件内存储电荷难以被迅速消除，所以集电极电流需较长时间下降，形成电流拖尾现象。由于此时集射极电压U_CE已建立，电流的过长拖尾将形成较大功耗使结温升高。总的关断时间则为t_off、IGBT的开通时间t_on、上升时间t_ri、关断时间t_off及下降时间t_fi均随集电极电流和栅极电阻R_G的增加而变大，其中R_G的影响最大，故可用R_G来控制集电极电流变化速率。

2.4.4 IGBT的主要参数

通常IGBT的使用手册给出如下的几个主要参数

1）集电极-发射极额定电压U_CES：这个电压值是厂商根据器件的雪崩击穿电压而规定的，也就是说U_CES值小于等于雪崩击穿电压。

2）栅极-发射极额定电压U_GES：IGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，而U_GES就是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT的U_GES值大部分为正电压20V，在使用中，设计的控制电压值不能超过20V。

3）额定集电极电流I_C：该参数给出了IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。目前富士公司提供给市场的IGBT模块的电流范围是8～400A。

4）集电极-发射极饱和电压U_CE（sat）：此参数给出IGBT在正常饱和导通时集电极-发射极之间的电压降，此值越小，管子的功率损耗越小。富士公司IGBT模块的U_CE（sat）值为2.5～3.5V。

5）开关频率：在IGBT的使用手册中，开关频率是以导通时间t_on、下降时间t_f和关断时间t_off给出的，根据这些参数可估计IGBT的开关频率。新一代的IGBT产品有高速开关系列（富士产品为L系列）和低导通电压系列（富士产品为F系列）。它们的开关时间还与集电极电流I_C、运行温度和栅极电阻R_G有关，当R_G增大、运行温度升高时，开关时间增大，开关频率降低。此外，本节的后面将介绍IGBT的驱动模块，各种驱动模块都有时间延迟，因此，IGBT的实际工作频率都在100kHz以下，即使这样，它的开关频率、动作速度也比BJT快得多，可达30～40kHz。开关频率高是IGBT的一个重要优点。

IGBT的输出特性类似于BJT，图2-24a是2MBI100-060在模块壳温T_C为25℃时的输出特性。由图可见，栅极-发射极电压越低时，IGBT的饱和导通压降越高，损耗越大，因此栅极控制电压U_GE应该在15～20V之间。此外，IGBT的输出特性还与温度有关，温度升高时，集电极-发射极饱和压降也随着升高。2MBI100-060 IGBT的安全工作区如图2-24b所示。

图2-24 2MBI100-060 IGBT的输出特性和安全工作区

a）输出特性 b）安全工作区

2.4.5 使用IGBT时的注意事项

为了安全使用IGBT，有如下几点是需要注意的：

1）一般IGBT的驱动级正向驱动电压U_GE应该保持在15～20V，这样可使IGBT的U_CE饱和值较小，降低损耗，不致损坏管子。

2）使IGBT关断的栅极驱动电压负电压U_GE的绝对值应等于或略大于5V，如果这个负电压值太小，可能因为集电极电压变化率du/dt的作用，使管子误导通或不能关断，如图2-25所示，集电极C和栅极G之间相当于有一个等效电容，当管子从导通变为截止时，电压上升产生的du/dt使C-G-E间有一个小的感应电流I_d，它可能使管子误导通。如果-U_GE能保证5V，则感应电流I_d通过电源放掉，避免了管子的误导通。

3）使用IGBT时，应该在栅极和驱动信号之间加一个栅极驱动电阻R_G，如图2-26所示。这个电阻值的大小与管子的额定电流有关，可以在IGBT的使用手册中查到推荐的电阻值。如果不加这个电阻，当管子导通瞬间，可能产生电流和电压颤动，会增加开关损耗。

图2-25 IGBT的误导通

图2-26 IGBT的栅极稳压保护

4）当设备发生短路时，电流I_C会急剧上升，它的影响会使电压U_GE产生一个尖峰脉冲，这个尖峰脉冲会进一步增加电流I_C，形成正反馈的效果。为了保护管子，在栅极-发射极间加稳压二极管，钳制G-E电压的突然上升，当驱动电压为15V时，二极管的稳压值可以为16V，如图2-26所示。这样，能起到一定的电流短路保护作用。

2.4.6 IGBT的驱动

IGBT正日益广泛地应用于小体积、低噪声、高性能的电源、通用变频器和电动机速度控制、伺服控制、不间断电源（UPS）、电焊机等。由于IGBT的迅速普及，用于栅极控制的驱动模块也应运而生，它的研制是针对IGBT的所有优点而开发出专用驱动模块。

目前，国内市场应用最多的IGBT驱动模块是日本富士公司开发的EXB系列，它包括标准型和高速型。EXB系列驱动模块可以驱动全部的IGBT产品范围，特点是驱动模块内部装有2500V的高隔离电压的光耦合器，有过电流保护电路和过电流保护输出信号端子，另外，可以单电源供电，从表2-2可见，标准型系列和高速型系列驱动模块的应用情况。标准型的驱动电路信号延迟最大时间为4μs，高速型的驱动电路信号延迟最大时间为1.5μs。

表2-2 富士公司IGBT驱动模块

驱动模块的外形及引脚号如图2-27所示。EXB850和EXB840用于驱动小于等于600V/150A和1200V/75A的IGBT，这两种驱动模块的外形尺寸相同。EXB851和EXB841用于驱动小于等于600V/400A和1200V/300A的IGBT，此两种驱动模块的外形尺寸相同，比前两种的尺寸稍大。

EXB850/851是标准型驱动模块，它的内部功能图如图2-28所示。EXB840和EXB841为高速型，其内部结构稍有不同，但是，这些系列驱动模块的引脚号有共同的含义。