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igbt及驱动电路
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:531

igbt及驱动电路

igbt  igbt(insulated gate bipolar transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有mosfet的高输入阻抗和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;mosfet驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。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电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

 

  图1所示为一个n 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, n 区称为源区,附于其上的电极称为源极。n 区称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的p 型区(包括p 和p 一区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区( subchannel region )。而在漏区另一侧的p 区称为漏注入区( ),它是igbt 特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成pnp 双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。

 

  igbt的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给pnp 晶体管提供基极电流,使igbt 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使igbt 关断。igbt 的驱动方法和mosfet 基本相同,只需控制输入极n一沟道mosfet ,所以具有高输入阻抗特性。当mosfet 的沟道形成后,从p 基极注入到n 一层的空穴(少子),对n 一层进行电导调制,减小n 一层的电阻,使igbt 在高电压时,也具有低的通态电压。

 

igbt驱动

  igbt驱动电路是驱动igbt模块以能让其正常工作,并同时对其进行保护的电路。

 

igbt驱动电路的选择

  绝缘栅双极型晶体管(igbt)在今天的电力电子领域中已经得到广泛的应用,在实际使用中除igbt自身外,igbt 驱动器的作用对整个换流系统来说同样至关重要。驱动器的选择及输出功率的计算决定了换流系统的可靠性。驱动器功率不足或选择错误可能会直接导致 igbt 和驱动器损坏。以下总结了一些关于igbt驱动器输出性能的计算方法以供选型时参考。

 

  igbt 的主要取决于igbt的门极电荷及内部和外部的电阻。图1是igbt 门极电容分布示意图,其中cge 是栅极-发射极电容、cce 是集电极-发射极电容、cgc 是栅极-集电极电容或称米勒电容(miller capacitor)。门极输入电容cies 由cge 和cgc 来表示,它是计算igbt 驱动器电路所需输出功率的关键参数。该电容几乎不受温度影响,但与igbt集电极-发射极电压vce 的电压有密切联系。在igbt数据手册中给出的电容cies 的值,在实际电路应用中不是一个特别有用的参数,因为它是通过电桥测得的,在测量电路中,加在集电极上c 的电压一般只有25v(有些厂家为10v),在这种测量条件下,所测得的结电容要比vce=600v 时要大一些(如图2)。由于门极的测量电压太低(vge=0v )而不是门极的门槛电压,在实际开关中存在的米勒效应(miller 效应)在测量中也没有被包括在内,在实际使用中的门极电容cin值要比igbt 数据手册中给出的电容cies 值大很多。因此,在igbt数据手册中给出的电容cies值在实际应用中仅仅只能作为一个参考值使用。

 

  确定igbt 的门极电荷

 

  对于设计一个驱动器来说,最重要的参数是门极电荷qg(门极电压差时的igbt 门极总电荷),如果在igbt 数据手册中能够找到这个参数,那么我们就可以运用公式计算出:

图一

门极驱动能量 e = qg · uge = qg · [ vg(on) - vg(off) ]

 

  门极驱动功率 pg = e · fsw = qg · [ vg(on) - vg(off) ] · fsw

 

  驱动器总功率 p = pg ps(驱动器的功耗)

 

  平均输出电流 ioutav = pg / δuge = qg · fsw

 

  最高开关频率 fsw max. = ioutav(ma) / qg(μc)

 

  峰值电流ig max = δuge / rg min = [ vg(on) - vg(off) ] / rg min

 

  其中的 rg min = rg extern rg intern

 

  fsw max. : 最高开关频率ioutav : 单路的平均电流qg : 门极电压差时的 igbt门极总电荷rg extern : igbt 外部的门极电阻rg intern : igbt 芯片内部的门极电阻但是实际上在很多情况下,数据手册中这个门极电荷参数没有给出,门极电压在上升过程中的充电过程也没有描述。

图2

这时候最好是按照 iec 60747-9-2001 - semiconductor devices -

 

  discrete devices - part 9: insulated-gate bipolar transistors (igbts)

 

  所给出的测试方法测量出开通能量e,然后再计算出qg。

 

  e = ∫ig · δuge · dt= qg · δuge

 

  这种方法虽然准确但太繁琐,一般情况下我们可以简单地利用igbt数据手

 

  册中所给出的输入电容cies值近似地估算出门极电荷:

 

  如果igbt数据表给出的cies的条件为vce = 25 v, vge = 0 v, f= 1 mhz,那么可以近似的认为cin=4.5cies,

 

  门极电荷 qg ≈ δuge · cies · 4.5 = [ vg(on) - vg(off) ] · cies · 4.5

 

  cies : igbt的输入电容(cies 可从igbt 手册中找到)

 

  如果igbt数据表给出的cies的条件为vce = 10 v, vge = 0 v, f= 1 mhz,那么可以近似的认为cin=2.2cies,

 

  门极电荷 qg ≈ δuge · cies · 2.2 = [ vg(on) - vg(off) ] · cies · 2.2

 

  cies : igbt的输入电容(cies 可从igbt 手册中找到)

 

  如果igbt数据手册中已经给出了正象限的门极电荷曲线,那么只用cies 近似计算负象限的门极电荷会更接近实际值:

 

  门极电荷 qg ≈ qg(on) δuge · cies · 4.5 = qg(on) [ 0 - vg(off) ] · cies · 4.5

 

  -- 适用于cies 的测试条件为 vce = 25 v, vge = 0 v, f= 1 mhz 的igbt

 

  门极电荷 qg ≈ qg(on) δuge · cies · 2.2 = qg(on) [ 0 - vg(off) ] · cies · 2.2

 

  -- 适用于cies 的测试条件为 vce = 10 v, vge = 0 v, f= 1 mhz 的igbt

 

  当为各个应用选择igbt驱动器时,必须考虑下列细节:

 

  · 驱动器必须能够提供所需的门极平均电流ioutav 及门极驱动功率pg。驱动器的最大平均输出电流必须大于计算值。

 

  · 驱动器的输出峰值电流 必须大于等于计算得到的最大峰值电流。

 

  · 驱动器的最大输出门极电容量必须能够提供所需的门极电荷以对igbt 的门极充放电。在power-sem 驱动器的数据表中,给出了每脉冲的最大输出电荷,该值在选择驱动器时必须要考虑。

 

  另外在igbt驱动器选择中还应该注意的参数包括绝缘电压visol io 和dv/dt 能力。

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