当前位置：文档之家 › 绝缘栅双极型晶体管_IGBT_驱动及保护电路的研究

绝缘栅双极型晶体管_IGBT_驱动及保护电路的研究

  • 格式：pdf
  • 大小：92.86 KB
  • 文档页数：3

文章编号:1007-6735(2004)03-0283-03

　收稿日期:2004-01-05　基金项目:上海市教委青年基金资助项目(02GQ29)　作者简介

:郝润科(1963-),男,副教授.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动

及保护电路的研究

郝润科,　杨一波

(上海理工大学电气工程学院,上海　200093)

摘要:介绍了绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的电气特性和对栅极驱动的要求,结合IGBT模块

的电气特性对IGBT驱动电路和保护电路的设计进行了分析和讨论,并给出了一些典型电路以供

大家参考.

关键词:绝缘栅双极型晶体管;驱动;保护

中图分类号:TN386 文献标识码:A

StudyonIGBTdriveandprotectioncircuit

HAORun2ke,　YANGYi2bo(CollegeofElectricEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Abstract:TheelectricfeaturesofIGBTandtherequirementforgatedriveareintroduced.Theanalysis

anddiscussiononthedesignofIGBTandprotectioncircuitaremainlyfocusedandsometypicalcircuits

arepresentedforreference.

Keywords:IGBT;drive;protect

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是近年来发展起来的半导体器件,它集功率场效应管MOSFET和

功率晶体管GTR的优点于一身,具有输入阻抗高、开关频率高(10～40kHz)、峰值电流容量大、自关断、低功耗和易于驱动等特点,是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件之一,被广泛用于各种电机

控制驱动、不间断电源、医疗设备和逆变焊机等领域.IGBT的驱动和保护是其应用中的关键技术,本文就此进行了较详细的研究.

1　IGBT的电气特性

IGBT是在功率MOSFET漏区加入P+N结构构成的,导通电阻降低到普通功率MOSFET的1/

10,其等效电路如图1所示[1,2].其中R是厚基区调制电阻,IGBT可认为是由具有高输入阻抗、高速

MOSFET驱动的双极型晶体管.图2(见下页)为

IGBT的电气特性(IGBT为200A/1200V),图2a是集射电压UCE与集电极电流IC的关系,图2b是

栅极电压UGE与集电极电流IC的关系曲线.

图1　IGBT的等效电路Fig.1　Equivalent

circuitofIGBT上海理工大学学报　第26卷　第3期J.UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyVol.26　No.3　2004　

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

图2　IGBT的电气特性Fig.2　ElectricfeatureofIGBT

2　IGBT栅极驱动

2.1　驱动电压的幅值

IGBT为电压控制器件,从其电气特性图

2b可

知,当UGE≥UGE(th)(UGE(th)为阈值电压)时,IGBT即可开通,一般情况下UGE(th)=5～6V.由图2a可

知,当UGE增加时,通态电压UCE减小,通态损耗减

小,IGBT承受短路电流能力减小;当UGE太大时,可能会引起栅极电压振荡,损坏栅极.所以,在实际

应用中应折中考虑栅极电压的选取,为获得通态压

降小,同时IGBT又具有较好的承受短路电流的能

力,UGE应折中取12～15V为宜,12V最佳. 在需要IGBT关断期间,为提高IGBT的抗干

扰能力及承受di/dt上升率能力(其中i为电流,t为时间),保证其可靠地关断,最好给栅射极间加5～10V的负偏压,过大的反向偏压会造成IGBT栅

射极反向击穿.

2.2　栅极串联电阻

为抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡,减小

开关di/dt和IGBT集电极尖峰电压,应在栅极串

联一个电阻RG.在选取RG值时,应根据IGBT电

流容量和电压额定值以及开关频率选取.当RG过

大时,IGBT的开关时间延长,开关损耗加大;RG减

小时,IGBT的开关时间和开关损耗减小;但当RG过小时,可导致栅源之间振荡,IGBT集电极di/dt增加,引起IGBT集电极尖峰电压,使IGBT损坏.通常选取RG值在几欧姆到十几欧姆之间,如10Ω、

15Ω、27Ω等.

2.3　栅射极并联电阻

在IGBT开通期间,其集电极会经常出现振荡电压,通过栅-集电容的联系,栅极电压也会受到影响,可能导致UGE超过阈值电压UGE(th),引起IGBT误导通,而且当UGE一旦产生过电压(IGBT栅极耐压约20V)就会损坏IGBT.为防止这类现象的发

生,可采取在栅射极之间并联稳压二极管或电阻

RGE的方法.因稳压二极管有很大的结电容,影响

IGBT的开关速度,所以并联稳压二极管的方法在

IGBT高速工作时需要增大驱动电流.

3　IGBT的保护电路

3.1　过压保护

IGBT关断时的换相过电压,主要决定于主电

路的杂散电感及关断时的di/dt.在正常工作时di/

dt较低,通常不会造成IGBT损坏,但在过流故障状态时,di/dt会迅速增大产生较高的过电压,所以应尽量减小主电路布线杂散电感,以减小因di/dt过大产生的过电压.可以采取的措施有:直流环节的滤波电容应靠近IGBT模块,滤波电容至IGBT模块的正负极连线尽量靠近;采用RCD电路吸收过电压尖峰,而且电容和电阻均应采用无感电容和无感电阻,吸收二极管D应为快速恢复器件,吸收电路

直接连接到IGBT的相应端子上.

3.2　过电流保护

当过电流小于工作电流的2倍时,可采用瞬时封锁栅极脉冲的方法来实现保护.当过电流的倍数较高时,尤其是发生负载短路故障时,加瞬时封锁栅极脉冲会使di/dt很大,在回路杂散电感上感应出较高的尖峰电压,RCD吸收电路很难彻底吸收此尖峰电压.为此,在保护中应采取软关断措施使栅极电

压在2～5μs降至零电压,目前常用的IGBT驱动模块内部均具有此过流软关断功能.482 上海理工大学学报2004年第26卷　

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net4　驱动电路

4.1　分立元件构成的驱动电路

图3是由分立元件构成的IGBT驱动电路.光

耦采用小延时高速型光耦,T1和T2组成图腾结构

的对管(T1、T2选用三级管的放大倍数β>100的

开关管),DZ1选用5V/1W的稳压管.当输入信号

到来时,T2截止,T1导通,对IGBT施加+12V栅

极电压;当输入信号消失时,T1截止,T2导通,5V稳压管为IGBT提供反向关断电压;稳压二极管

DZ2、DZ3的作用是限制加在IGBT栅射间的电压,

避免过高的栅射电压击穿栅极.此电路结构简单,可

用于驱动小功率变换器中的IGBT.

图3　IGBT驱动电路Fig.3DrivecircuitofIGBT

4.2　驱动模块电路

目前生产IGBT的几个主要厂家都开发了与之

配套的驱动模块电路.如富士的EXB系列、东芝的

TK系列、莫托罗拉的MPD系列和惠普HCPL系列等.这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠

压锁定和故障信号输出的功能.应用这类模块可提

高产品的可靠性能.图4是EXB841模块驱动IGBT的应用电路[3].

EXB841是日本富士公司设计的可驱动高达

400A/600V和300A/1200V的IGBT,最高工作频率为40kHz.内装用于高隔离电压的光耦合器,采用+20V直流单电源供电,可产生+15V开栅

电压和-5V关栅电压,内部装有过流检测电路和

软关断电路,过流检测电路可按驱动信号与集电极

电压之间的关系检测过流,当IGBT的电流超过设定值时,软关断电路低速切断电路,保护IGBT不被损

坏.在图4中,端脚6用于监测集电极电压,从图2a可知,当UGE不变,通态电压UCE随集电极电流增

大而增高,所以可用检测UCE作为过流的判断信

号,当IGBT的UCE过高(一般达7V)时则出现过

流信号,此信号经过流检测电路10μs检查(IGBT能抵抗10μs短路电流),滤除其中的干扰信号,确

定为过流时,端脚5信号由高电平变为低电平,光耦

TLP521工作,发出过流保护输出,封锁驱动输入信号,切断IGBT.此电路在作者研制的3kW磁阻电机调速系统中应用效果良好.

图4　EXB841驱动模块应用电路Fig.4　AppliedcircuitofEXB841drivemode

5　结束语

本文介绍了IGBT的结构和电气特性,讨论了

设计IGBT驱动电路的要求和注意事项,分析了正

确选取栅极驱动电压的范围,di/dt对栅压的影响

和应采取的措施,给出了典型驱动电路,对正确使用

IGBT具有一定的参考价值.

参考文献:

[1]　张立.现代电力电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2000.[2]　何希才.现代电力电子技术[M].北京:国防工业出版社,1996.[3]　郝润科,刘贵卿.开关磁阻电动机开关元件的选择与研究[J].太原工业大学学报,1997,28(3):27～30.582　第3期郝润科等:绝缘栅双极型晶体管(IGBT)驱动及保护电路的研究　

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

合集下载

IGBT集成驱动模块的研究

IGBT集成驱动模块的研究

第９卷第６期　２００６年６月　害潦般　石阙　

ＰＯＷＥＲ　ＳＵＰＰＬＹ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ　ＡＮＤ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ　Ｖ０１．９　Ｎｏ．６　Ｊｕｎｅ　２００６　

ＩＧＢＴ集成驱动模块的研究　

申　翔　

（教育部光伏系统工程研究中心，　安徽合肥，２３０００９）　

摘要：简要介绍了绝缘栅双极晶体管ＩＧＢＴ驱动保护电路的原则．详细分析了多种常用的ＩＧＢＴ　

集成驱动模块的特性，并进行了比较　

关键词：绝缘栅双极晶体管；集成驱动模块：驱动保护电路　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｇａｔｅ　Ｄｒｉｖｅｒ　ＩＣ　ｆｏｒ　ＩＧＢＴ　

ＳＨＥＮ　Ｘｉａｎｇ　

（Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，　

Ｈｅｆｅｉ　Ａｎｈｕｉ　３　１　００２７，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐ　ｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ＩＧＢＴ　ｉｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｈｙｂｒｉｄ　ＩＣｓ　ｆｏｒ　ＩＧＢＴ　ｄｒｉｖｅ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＩＧＢＴ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｄｒｉｖｅｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

中图分类号：ＴＭ４９２　文献标识码：Ｂ　文章编号：０２１９—２７１３（２００６）０６—００４９—０５　

Ｏ　引言　

随着电力电子技术朝着大功率、高频化、模　

块化发展．绝缘栅双极品体管（ＩＧＢＴ）已广泛应用　

于开关电源、变频器、电机控制以及要求快速、低　

损耗的领域中　ＩＧＢＴ是复合全控型电压驱动式　

电力电子器件．兼有ＭＯＳＦＥＴ和ＧＴＲ的优点：输　入阻抗高，驱动功率小，通态压降小，工作频率　

IGBT是什么？

IGBT是什么？

IGBT是什么？

作者：海飞乐技术 时间：2017-04-13 16:00

IGBT是什么？

IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar

Transistor)，所以它是一个有MOS Gate的BJT晶体管，可以简单理解为IGBT是MOSFET和BJT的组合体。MOSFET主要是单一载流子(多子)导电，而BJT是两种载流子导电，所以BJT的驱 动电流会比MOSFET大，但是MOSFET的控制级栅极是靠场效应反型来控制的，没有额外的控制端功率损耗。所以IGBT就是利用了MOSFET和BJT的优点组合起来的，兼有MOSFET的栅极电压控制晶体管(高输入阻抗)，又利用了BJT的双载流子达到大电流(低导通压降)的目的 (Voltage-Controlled

Bipolar Device)。从而达到驱动功率小、饱和压降低的完美要求，广泛应用于600V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 IGBT实物图 左图IGBT模块，右图IGBT管

IGBT有什么用？

绝缘栅双极晶体管（IGBT）是高压开关家族中最为年轻的一位。由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。IGBT就是一个开关，非通即断，如何控制他的通还是断，就是靠的是栅源极的电压，当栅源极加+12V（大于6V，一般取12V到15V）时IGBT导通，栅源极不加电压或者是加负压时，IGBT关断，加负压就是为了可靠关断。

IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。

IGBT有三个端子，分别是G，D，S，在G和S两端加上电压后，内部的电子发生转移（半导体材料的特点，这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因），本来是正离子和负离子一一对应，半导体材料呈中性，但是加上电压后，电子在电压的作用下，累积到一边，形成了一层导电沟道，因为电子是可以导电的，变成了导体。如果撤掉加在GS两端的电压，这层导电的沟道就消失了，就不可以导电了，变成了绝缘体。

IGBT驱动电路的选择及驱动电阻的选择

IGBT驱动电路的选择及驱动电阻的选择

IGBT驱动电路的选择及驱动电阻的选择

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 的开关特性主要取决于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 ?

大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究

大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究

大功率IGBT模块并联特性及缓冲电路研究

1. 本文概述

随着现代电力电子技术的快速发展，大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块在电力系统、工业控制、新能源等领域中发挥着越来越重要的作用。特别是在高电压、大电流的应用场合，单个IGBT模块往往难以满足系统的功率需求，将多个IGBT模块并联使用成为了一种常见的解决方案。IGBT模块在并联运行时会出现诸如均压均流问题、热平衡问题以及开关特性不一致等问题，这些问题不仅影响系统的稳定性和可靠性，还可能缩短模块的寿命。

本文针对大功率IGBT模块并联运行时的特性和问题展开研究，重点分析并联模块之间的电压和电流分配不均的机理，以及由此引发的热平衡问题和开关特性不一致现象。进一步地，本文将探讨缓冲电路的设计和优化，以解决并联运行中的这些问题。缓冲电路能够有效地抑制电压和电流的峰值，降低开关过程中的损耗，从而提高系统的效率和可靠性。本文将通过理论分析和仿真验证，提出一种适用于大功率IGBT模块并联运行的缓冲电路设计方案，并对该设计方案的性能进行评估。

本文的结构安排如下：介绍IGBT模块的基本原理和工作特性，以及并联运行时的问题和挑战分析并联模块间电压和电流分配不均的机理，以及热平衡问题和开关特性不一致现象的产生原因接着，详细阐述缓冲电路的设计原理和优化方法通过仿真实验验证所提出缓冲电路设计方案的有效性和可行性总结全文并提出进一步的研究方向。

2. 模块基础理论

绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种高压、大电流的功率半导体器件，广泛应用于电力电子装置中。IGBT模块的工作原理涉及三个基本过程：导通、截止和开关。在导通状态下，IGBT作为一个功率开关，允许电流流过而在截止状态下，则阻止电流流过。IGBT的开关速度和效率是其关键性能指标。

当IGBT模块并联使用时，可以实现更高的功率输出。模块间的并联特性对整体性能有显著影响。主要考虑因素包括：