IGBT简单应用

IGBT的简单应用IGBT的简单应用目录1。IGBT的基本特性2。关于驱动电路的3。空载时间设定4。驱动电路设计和实际安装的注意事项5。缓冲电路的简单介绍6。IGBT的损耗1IGBT的基本特性1.1功率MOSFET的结构沟道宽度PNN1.2.1IGBT的基本结构与MOSFET不一样的地方图1.51.2.2IGBT的等效电路图输入电容：Cies=CGE+CGC；反馈电容：Cres=CGC；输出电容：Coes=CGC+CCE。NPPN图1-2说明：当足够高的电压加到栅极和源极之间（由于栅极与源极的绝缘层非常薄，即使只有十几V的电压，也能产生非常大的电场），在栅极下面的p区将形成反型层（n导通沟道），经由这个通道，电子可以由源极流向n-区。因为在漂流区内形成的电子全都是多子，所以在高阻区n-区不会有少子流动，因而MOSFET是单极型元件。图1-5说明：和MOSFET有所不同，在IGBT的n区之下有一个p+导通区，它通向集电极。流经n-漂流区的电子进入p+区时，会导致空穴由p+区注入n-区。这些被注入的空穴既从漂流区流向发谢极端的p区，也经由MOS沟道及n井区横向流入发射极。因此，在n-漂流区内，构成主电流的载流子出现过盈现象，这种载流子的增强效应导致了空间电荷区的缩小以及集电极至发射极电压的降低。因而，一般IGBT的导通压降比MOSFET的要低。*pnp晶体管和N沟道的MOSFET组成的igbt称为N沟道IGBT，也有P沟道IGBT；N沟道IGBT应用比较多。IGBT的几个寄生电容：CGE：栅极和发射极的金属化部分的重叠，取决于栅极与发射极之间的电压；CCE：n-漂移区与p井区之间的节电容；取决于单元的表面积，集电极与发射极之间的电压；CGC：米勒电容，由栅极和n-漂移区之间的重叠而产生。1.3擎住效应当IGBT关断时，由于有较大的空穴电流，导致寄生的晶闸管导通，导致IGBT无法关断，为了防止这种情况发生，应限制关断时的di/dt.*目前的IGBT一般不存在这一问。图1-61.4IGBT的输出特性1.5IGBT的主要参数有：1）电压额定VCES：C,E之间允许的最大电压。VGES：G，E之间允许的最大电压，一般为±20V。2）电流额定ICmax:IGBT允许最大的持续直流；Tj≤150℃时。IFmax：逆向二极管的允许的最大的持续的正向电流；Tj≤150℃时。It：耐10ms以下的正弦波的脉冲电流能力。3）温度Tj：硅材料允许的Tjmax≤150℃。4）损耗Pc：Tj=25℃时，IGBT允许的最大损耗。PCmax=（Tjmax-Tc）/Rth（j-c）。21.6.1IGBT的FBSOA：导通时的SOA。这是最基本应该的满足条件。t为导通时间，当为直流时，其导通为连续，因而其FBSOA区域最小。t1.6.2RB-SOA：关断时的SOA:条件：Tj=25~125℃VGE=±15VRG=厂家推荐值VCE≤400V（600V）1000V（1200V）由上图可知：设备的峰值电流（包含过载电流）必须小于≤200%的IGBT的额定电流。在实际应用中，还必须考虑纹波电流的影响，这是选择IGBT的允许电流值的重要依据。1.6.3SCSOA：短路回路的SOA条件：Vcc≤400VTj=25~125℃VGE=±15VTw=10usRG=厂家推荐值600V等级的SCSOAVCE由上图可知：600V等级的IGBT其使用的直流电压应≤400V，同样可得知，1200V的IGBT其使用的直流电压应≤800V。注意：1）Tw为短路时间，Tw≤10us，SCSOA才有效；因此，短路保护时间必须＜5us。2）SCSOA是不可恢复的，一般的IGBT可重复100次。IGBT的选择：由上面的三个SOA曲线可以选择合适的电压电流等级的IGBT，同时，再考虑Tj≤125℃（留20%的余量）即可。1.7IGBT的可靠性检验：AC2500V-1min耐压≤1.2规定值IC=额定值，UGE=15VVCEsat0.8~1.2之间IC=100A，UCE=10VVGE（th）≥0.8规定值IC=1mA，VGE=0VVCES≤2.0规定值VCE=600V，VGE=0VICES≤2.0规定值VGE=±20V，IE=0IGES判定测试条件标号*一般测ICES是否合格即可判定IGBT的好坏。1.8IGBT的保护项目：1）过电流保护A）OC过电流保护，一般toc的动作时间在5~10us。B）SC过电流保护，一般tsc的动作时间在1us~5us。C）过电流熔断，选用快速熔断器，选择其It＜IGBT的It。一般的动作时间选择小于1us。2）驱动电压保护A）驱动电压低检出B）驱动电压高保护3）过电压保护DC过电压保护4）温度保护Tj过温保护5）SOA领域保护A）电压B）电流221.9IGBT的并列使用注意事项：1）发振现象由于驱动IGBT的电压不一致，导致驱动回路之间存在回流，这将导致各个igbt导通关断的时间不一致，产生不均流现象。2）VCE（sat）不一致导致电流分配不均VCE（sat）=f（IC，VGE）；当VGE一定时，IC↑，其VCE（sat）也增加；这有利于IGBT的并联。但是同类型IGBT，其VCE(sat)也可能不一致，这也将严重影响电流均分；因此，并联时最好选择VCE（sat）一致的igbt。一般来说，选择同批次生产的IGBT较好。3）外部配线的不对称可能导致电流不均。1.10IGBT硬开关的开关特性图1-7VGE1=IC/gfsVce下降，给CGC充电t0-t1时段：随着栅极被加上电压，栅极电流开始流动。在栅极电量到达QG1之前，电流IG完全用来对栅极电容CGE充电。栅极电压VGE上升。但是由于VGE还是小于开启电压VGE（th），因此，没有电流流动。开通过程：t1-t2时段：在t1时刻，VGE上升至VGE（th），IGBT导通，并经过线形放大区。漏极电流上升至IL或者超过IL（续流二极管的电流转移），由转移特性可知，VGE上升至VGE1=Ic/gfs（t2时刻）。t2-t3时段：随着续流二极管的关断，VGE在时刻t3已经降至其通态压降，因此，VGE维持不变。当VCE下降时，栅极电流iG耗费了电量（QG3-QG2）来对米勒电容CGC充电。t3-t4时段：在t3时刻，IGBT已经全部开通，其工作点由线形放大区进入阻性区域。此时，流入栅极的电量（QGTOT-QG3）使得栅极电压进一步上升，直至栅极驱动电压VGG，因而实际的导通压降VCE依赖于IC和VGC，所以，通过注入栅极的总电量来调节导通压降，使其保持在物理上的下限值；C极电压越高，需要注入的电量越大。2。驱动电路的设计*说明：当igbt内置过电流保护时，短路最大承受电流是增加的；减少增加放射杂波不确定*降低短路最大耐受量减少减少增加dv/dt误触发减少增加关断浪涌电压减少增加开通浪涌电压增加减少toff/Eoff增加减少ton/Eon减少Vce（sat）Rg↑-Vge↑+Vge↑主要特性2.1IGBT的驱动条件和主要特性关系2.2门极正偏压：+VGE设计时注意事项：（1）+VGE应在+5V~+20V之间，推荐值为+15V±1V；（2）电源电压变动率≤10%；（3）导通期间的饱和压降VCE（sat）随VGE上升而下降；（4）+VGE越高，开启时间和开启损耗越小；（5）+VGE越高，开通时对支路越容易产生浪涌电压。（6）IGBT断开时间段，由于FWD的反向恢复时间dv/dt可能发生误动作，形成脉冲状的集电极电流；+VGE越高，产生误动作的可能性越大。（7）+VGE越高，承受短路电流能力下降。2.3门极反偏电压：-VGE设计时应该注意的问题：（1）反偏电压-VGE推荐值为-5v~-15V之间。（2）电源电压的变动率推荐为±10%；（3）-VGE越大，关断的时间和损耗越小；（4）dv/dt误触发在-VGE小的情况时也发生，所以一般选择-5V以上，当驱动线长的时候更加要注意。2.4门极电阻：RG设计时应该注意的问题：（1）RG越大，开启/关断时间和开关损耗均会增大，但是开关时的浪涌电压会降低；（2）dv/dt误触发在RG较大时，不太容易发生；（3）当RG为标准门极电阻值（Tj=25℃）时，电流限定最小值为额定电流的2倍；2.5驱动电流由章节1.10可得知门极充电电荷量特性图图1-8驱动电流的峰值IGP可由下式求取：IGP=（+VGE+-VGE）/（RG+Rg)（1）RG:驱动电路的门极电阻；Rg：模块内部的门极电阻；额定驱动功率：PG（avg)=(+VGE+-VGE)*Qtot*f（公式2）其中：Qtot=CE*(+VGE+-VGE)*//根据上述内容，设计能够提供驱动电流和驱动功率的驱动电路。3空载时间设定在实际电路中，为了防止上下支路的短路，需要在开通和关断切换时设定空载时间（也叫死区时间），在空载时间原则上要设定为比IGBT的toff（max）时间长，通常设定在3us以上。另外，由于加大RG会使交换时间变长，因此，空载时间也有必要对应加长，同时还必须考虑温度对toff的影响。ton=-RG*CGE*㏑｛(+VGE-Vth(on))/（+VGE+-VGE)｝toff=-RG*(CGE+CGC)*㏑｛(-VGE+Vth(off)/(+VGE+-VGE)｝+QGQ/IGres(off)IGres(off)=(-VGE+Vth(off))/RG一般CGC大约为2倍CGE；Vth（on）一般为3v~5v，由上式可知，toff＞ton；因此，Eoff＞Eon。4。驱动电路设计、实际安装的注意事项4.1关于光藕合器的杂波耐受力由于IGBT是高速交换元件，因此在驱动电路中使用的光藕合器需要使用杂波耐受力大的类型。另外，为了避免误动作，光藕合器的初级侧和次级侧的配线不能交叉，为了充分发挥IGBT的高速交换性能，推荐使用信号延迟时间短的光藕合器。4.2关于驱动电路与IGBT间的配线在驱动电路和IGBT间的配线长的情况下，门极信号的振荡和感应杂波会导致IGBT误动作，作为对策，有以下方法：（1）驱动配线要尽量短，G，E线制成双绞线；（2）增大RG，但是要注意开关时间、交换损耗；（3）门极配线和IGBT的主电路配线要尽量远离，布局时两者要正交；（4）不要和其他相的门极配线绑在一起。4.3关于门极过电压保护，为了防止VGE电压超过±20V，需要在G-E间连接齐纳二极管等保护。5缓冲电路的简单介绍5.1缓冲电路的种类和特征缓冲电路分为两种：A）个别缓冲电路包含：1）RC缓冲电路2）充放电型RCD缓冲电路3）放电阻止型RCD缓冲电路B)集中式缓冲电路包含：1）C缓冲电路2）RCD缓冲电路为了简化缓冲电路，推荐使用集中式缓冲电路5.2个别缓冲电路的连接图、特征和主要用途RC缓冲电路主要特征：对关断浪涌电压抑制明显；最适合斩波电路；适用大容量IGBT时，缓冲电阻值必须很小。因此关断时集电极电流增大，增加IGBT的负担。缓冲电路的损耗很大，不适用高频电路。充放电型RCD缓冲电路与RC缓冲电路不同，外加缓冲二极管，缓冲电阻值能够变大，能过回避开通时的IGBT的负担问题。与放电阻止型缓冲电路比，其缓冲电路的损耗非常大，不适合高频电路。缓冲电阻发生的损耗大致可以由下式计算：P=½*L*Io*f+1/2*Cs*Ed*fL:为主回路的寄生电感22主要特征：放电阻止型RCD缓冲电路主要特征：关断浪涌电压有抑制效果；最适合高频电路；缓冲电路发生的损耗少；缓冲电路的电阻的损耗大致可以由下式计算：P=1/2*L*Io*f25.3集中式缓冲电路主要特征：电路最简单；因主电路电感与缓冲电容产生LC谐振，母线电压容易产生振荡。C缓冲电路集中式RCD缓冲电路特征：与C缓冲电路相比，增加了缓冲二极管解决了振荡的问题.5.3关断时过电压保护IGBT关断时或者FWD反向恢复时，会产生很高的di/dt，由于模块周围的配线电感引发L*(di/dt)电压。Vcesp=Ed+（-Ldi/dt）Ed：直流电压di/dt：关断时集电极最大电流变化率。VcespVcep*一般应限制（Ldi/dt）的值在100V以下。Vcep：缓冲电容的电压值。缓冲电容Cs的选取。Cs=LIo2(Vcep-Ed)抑制关断过电压对策：1）加缓冲电路，如C,RC,RCD缓冲等2）调整-VGE，RG，减少di/dt；3）将电解电容配在IGBT附近，减少配线电阻，使用低阻抗电容效果更好；4）为了降低主电路和缓冲电路的配线电感，配线要粗、要短。26.IGBT的损耗器件在开关运行时的损耗包含下面部分：1）静态损耗：静态损耗包含通态损耗和截至损耗。2）开关损耗：开关损耗包含开启损耗和关断损耗。3）驱动损耗。一般来说，IGBT的截至损耗和驱动电路中的损耗在总损耗中的比例比较低，一般不计算。6.1IGBT通态损耗（Pfw/T）和下面因素有关：1.负载电流（由输出特性VCEsat=f（ic，VGE）所确定；2.结温。3.占空比。6.2IGBT开启损耗Pon和关断损耗Poff和下列因素有关：1.负载电流2.直流母线电压3.结温4.开关频率5.驱动电阻IGBT总的损耗：Ptot=Pfw/T+Pon+Poff如左图：IGBT的开启损耗6.3续流二极管的损耗：续流二极管的损耗包含通态损耗（Pfw/D）和关断损耗（Poff/D）二极管通态损耗和下列因素有关：1）负载电流（由输出特性VF=f（iF）决定；2）结温；3）占空比；二极管的关断损耗和下列因素有关：1）负载电流；2）直流母线电压；3）结温；4）开关频率；如右图所示：二极管的总损耗：ptot=Pfw/D+Poff/D6.4在电路中，工作点的损耗可以计算如下：A）IGBT的损耗开启损耗：Pon/T=fs*Eon/T（Vd，ic，RG，Tj/T）关断损耗：Poff/T=fs*Eoff/T（Vd，ic，RG，Tj/T）通态损耗：Pon/T=∫ic（t）*VCE（t）dt（t1为导通时间）t1T0*注明：Eon/T和Eoff/T在IGBT使用手册中会给出；B）续流二极管的损耗：关断损耗：Poff/D=fs*Eoff/D（Vd，id，Tj/T)通态损耗：Pfw/T=∫VF（t）*iF（t）dtT1t1T*注明：Eoff/D在FWD使用手册中会给出；6.5结温的计算硅半导体的最大结温Tj为：150℃，为了安全起见，一般使用时Tj≤125℃，设计时要遵循这一原则。为了说明方便，以IGBT模块带续流二极管的双管为例；其等效热路可以用下面的模型来等效：Ptot/T1Ptot/D2图中所用的符号解释如下：Tj为结温，Zthjc为芯片到模块外壳之间的热阻；Zthch为模块外壳和散热之间的热阻；Th为散热器的温度；Zthha为散热器与环境之间的热阻，Ta为环境温度。*在功率模块中，晶体管和二极管被焊接在同一块铜板上，因此，TcoupD1和Tcoup/T2代表了T1和D2对其反并联的元件D1和T2的传热耦合，在低频时，影响较大，在高频时，影响较小；简化计算时，不考虑这两项。6.6结温的简化计算：平均总功耗Ptotavg=fs*（Eon+Eoff+Efw）平均结温Tjavg=Tc+静态热阻Rthjc*平均总功耗Ptotavg最大功耗Ptotmax=（Eon+Eoff+Efw）/t；t为开通时间；最大结温Tjmax=Tc+动态热阻Zthjc*最大功耗Ptotmax；当开关频率大于3k时，最大结温Tjmax和平均结温Tjavg相差不大。所以采用平均功耗来计算结温是可行的。讨论：1）IGBT应用在逆变器应该怎么选取？2）多个IGBT并联应注意哪些问题？