igbt驱动电路的设计

igbt驱动电路的设计内容摘要：

图焊接成电路板，在焊接的时候不断调试，改进一定的参数，最后验证相应的功能。 研究方法 本项目将研制出适用于各类 IGBT 的驱动电路及其典型的应用电路。 在研制过程中，采取实验测试和调试的方法。 首先建立 IGBT 电学特性分析模型，根据对电特性的分析，设计出满足要 求，即有过热、过流、欠压、过流检测等功能的智能化驱动电路，再进行电路焊接，并通过电路板实际测试和调试，达到所需的要求。 6 第 2 章 IGBT 原理和 驱动 条件 原理与特性 IGBT 将单极型和双极型器件的各自优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点，因而发展很快，应用很广。 IGBT 的工作原理 绝缘栅双极晶体管简称 IGBT，是由 MOSFET 和晶体管技术结合而成的复合型器件，是 80 年代出现的新型复合器件，在电机控制、中 频和开关电源，以及要求快速、低损耗的领域备受青睐。 图 21 为 IGBT 的结构剖面图。 由图可知， IGBT 是在功率 MOSFET 的基础上发展起来的，两者结构十分相似，不同之处是 IGBT 多了一个 P﹢层发射极，可形成 PN 发射结J1， 并由此引出漏极；门极和源极与 MOSFET 相似。 图 21 NPT 型 IGBT 的结构剖面图 IGBT 按缓冲区的有无来分类，缓冲区是介于 P﹢发射区和 N﹣漂移区之间的 N﹢层。 无缓冲区 N﹢者称为对称型 IGBT，也称为非穿痛型 IGBT；有 N﹢缓冲区者称为非对称型 IGBT，也称为穿通型 IGBT。 因为构造不同造成其特性的不同，非对称型 IGBT 由于存在 N﹢区，反向阻断能力弱，但其正向压降低、关断时间短、关断时尾部电流小。 与 7 之相反，对称型 IGBT 具有正反向阻断能力，其他特性不及非对称型 IGBT。 从结构图可以看出， IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR，其等效电路如图 22a 所示， N 沟道 IGBT 图形符号如图 22b 所示。 对于 P 沟道 IGBT，其图形符号中的箭头方向恰好相反。 图中的电阻 drR 是厚基区 GTR 基区内的扩展电阻。 IGBT 是以GTR为主导元件， MOSFET为驱动元件的达淋顿结构。 图示器件为 N沟道 IGBT， MOSFET为 N 沟道型， GTR 为 PNP 型。 图 22 IGBT 的简化等效电路与 IGBT 的图形符号 a) 等效电路 b)图形符号 IGBT 的开通和关断是由门极电压来控制的。 门极施以正电压时， MOSFET 内形成沟道，并以 PNP 晶体管提供基极电流，从而使 IGBT 导通。 在门极上施以负电压时，MOSFET 内的沟道消失 ， PNP 晶体管的基极电流被切断， IGBT 即为关断。 当 VDS 为负时， J3 结处于反向偏置状态，类似于反偏二极管，器件呈反向阻断状态。 当 VDS 为正时，有两种可能： （ 1） 若门极电压小于开启电压，即 VG＜ VT， 则沟道不能形成，器件呈反向阻断状态； （ 2） 若门极电压大于开启电压，即 VG＞ VT， 绝缘门极下面的沟道形成， N﹢区的电子通过沟道进入 N﹣漂移区，漂移到 J3 结，此时 J3 结是正向偏置，也向 N﹣区注入空穴，从而在 N﹣区产生电导调制，使器件正向导通。 8 在器件导通之后，若将门极电压突然减至零，则沟道消失，通过沟道的 电子电流为零，使漏极电流有所突减，但由于 N﹣区注入了大量的电子、空穴对，因而使漏极电流不 会马上为零，因而出现一个拖尾时间。 除上述 IGBT 的正常工作情况外，从结构图中可以看出，由于 IGBT 结构中寄生着PNPN 四层结构，存在着由于再生作用而将导通状态锁定起来的可能性，从而导致漏极电流失控，进而引起器件产生破坏性失效。 出现锁定现象的条件就是晶闸管的触发导通条件 a1＋ a2﹦ 1。 IGBT 的锁定现象又分为静态锁定、动态锁定和栅分布锁定。 静态锁定就是 IGBT 在稳态电流导通时出现的锁定，此时漏极电压低，锁定发生在稳态电 流密度超过某一数值的时候。 动态锁定发生在 开关过程中，在大电流、高电压的情况下，主要是因为在电流较大时引起 a1 和 a2 的增加，以及由于过大的 dv／ dt引起的位移电流造成的。 栅分布锁定是由于绝缘栅的电容效应，造成在开关过程中个别先开通或后关断的IGBT 之中的电流密度过大而形成局部锁定。 应当采取各种工艺措施提高 IGBT 的锁定电流，克服由于锁定而产生失效。 基本特性 1） 静态特性 IGBT 是静态特性包括伏安特性、饱和电压特性、转移特性和静态开关特性。 伏安特性表示器件的端电压与电流的关系。 NIGBT 的伏安特性如图 23 所示 图 23 IGBT 伏安特性 9 由图可知， IGBT 的伏安特性与 GTR 基本相似，不同之处是，控制参数是由门极电压 GSV ，而不是基极电流。 伏安特性分饱和区（ Ⅰ ）、放大区（ Ⅱ ）和击穿区（ Ⅲ ）。 输出电流由门源电压控制，门源电压 GSV 越大，输出电流 DI 越大。 IGBT 的饱和电压特性如图 24 所示，由图可知， IGBT 的电流密度较大，通态电压的温度系数在小电流的范围 内为负，大电流的范围为正，其值大约为 倍 /100℃。 图 24 IGBT 饱和特性 转移特性曲线如图 25 所示（以 BSM150GB170DC 为例 ），与功率 MOSFET 的转移特性相同。 在大部分漏极电流范围内， DI 与 GSV 呈线形关系；只有当门源电压接近开启电压 TV 时才呈非线形关系，此时漏极电流已相当小。 当门源电压 GSV 小于开启电 压 TV 时，IGBT 处于关断状态。 如在门源间的最高电压由流过漏极的最大电流所限定。 一般门源电压的最佳值可取 15V左右。 同时，在关断的时候，一般提供一个反压，防止 IGBT 误导通，反压一般设为﹣ 2~﹣ 10V。 IGBT 的静态开关特性如图 26 所示。 当门源电压大于开启电压时，且集电极和发射机有一定的压降时， IGBT 即开通。 与功率 MOSFET 相比， IGBT 通态压降要小的多， 1000V 的 IGBT 在 25176。 C，集极电压为 25A 时，约有 2~5V 的通态压降。 同时， MOSFET 本来就 不适合高频和高压电路，而 IGBT 却可以 工作高压高频电路，而且 IGBT 在高电流和短路状态都 不容 意烧坏， 使电路更加安全。 10 图 25 转移特性 图 26 开关特性 因为 IGBT 的构成基础是功率 MOSFET，通过门源电压可控制 IGBT 的状态，当 GSV﹤ TV 时， IGBT 处于阻断状态，只有很小的漏电流存在 ,外加电压由 J2 结承担，这种阻断状态与功率 MOSFET 基本一致。 可见，对称型 IGBT 具有正﹑反向阻断电压的能力，而非对称型 IGBT 几乎没有反向阻断的能力。 图 27 为 EUPEC BSM150GB170DC 的输出特性。 图 27 IGBT 输出特性 11 2） 动态特性 图 28 开通时 IGBT 的电流、电压波形 IGBT 的 动态特性包括开通过程和关断过程两个方面 IGBT 开通时的瞬态过程如图 28 所示。 IGBT 在降压变换电路中运行时，其电流﹑电压波形与功率 MOSFET 开通时的波形相似。 图中 Td(on)为开通延迟时间， Tri 为电流上升时间， GSV ﹢ 为门源电压。 漏源电压的下降时间分为 tfv1 和 tfv2 两段。 在 GSV 的波形图中，从 Td(on)开始到 Tri 结束阶段，门源电压指数规律增加。 ()GStV 曲线在从 Tri 末尾至 tfv2 结束这段时间内，由于门源间流过驱动电流，门源之间呈现二极管正向特性，所以 GSV 维持不变。 当 IGBT 完全导通后，驱动结束， VGS(t)重又按指数规律最终达到 GSV ﹢VDS(on) Vd tri id td(on) VT VGG﹢ t t t VGS（ t） iD(t) VDS(t) tfv1 tfv2 12 值。 在降压变换电路中运行时， IGBT 的关断电流电压波形如图 29 所示。 图 29 关断时 IGBT 波形图 在实际应用中，用漏极电流的动态波形来确定 IGBT 的开关时间。 漏极电流的开通时间和上升时间分别用 Ton 和 Tr 表示。 开通时间包括电流延迟时间和上升时间两部分，如图 28 中 Td(on)和 Tri 所示。 漏极电流的关断时间和下降时间分别用 Toff 和 Tf表示。 关断时间由存储时间和下降时间所组成，如图 29 所示，存储时间又包括 Td(off)和 Trv两部分，下降时间则由 tfi1 和 tfi2 组成。 且其开关损耗如下图， t tfi1 tfi2 trv Td(on) VGG﹣ VT GTR 电流 t VGS(t) iD(t) VDS(t) Vd t MODFET 电流 13 图 210 IGBT 的开关损耗 由上图知， IGBT的开通损耗受续流二极管反向恢复特性的支配，图 210 示出了 IGBT开通损耗与电流、门极电阻的关系。 （ 以 BSM150GB170DC 为例 ） 3） 安 全工作区 开通和关断时， IGBT 均具有较宽的安全工作区。 IGBT 开通时为正向偏置，其安全工作区称为正向偏置安全工作区，简称 FBSOA，如图 211A 所示。 FBSOA 与 IGBT 的导通时间密切相关，道统时间很短时， FBSOA 为DC 100μ s 10μ s 重加 dvds/dt 3000V/μ 2020V/μ 1000V/μ VDS 0 ID VDSM VDS 0 IDM ID a) b) 图 211 IGBT 的安全工作区 a) FBSOA b) RBSOA 14 矩形方块，随着导通时间的增加，安全工作区逐步减小。 直流工作时安全工作区最小。 这是因为导通时间越长，发热越严重，因而安全工作区越小。 IGBT 关断时间为反向偏置，其安全工作区称为反向安全工作区，简称 RBSOA，如图 211A 所示。 RBSOA 与 FBSOA 稍有不同， RBSOA 随着 IGBT 关断时的重加 d DSV /dt而改变。 电压上升率 d DSV /dt 越大，安全工作区越小。 最大漏极电流 DMI 使根据避免动态擎住而确定的，与此相应还确定了最大的门源电压 GSMV。 只要不超过 GSMV ，外电路发生故障时， IGBT 将从饱和状态进入放大状态。 最大允许漏源电压 GSMV 是由 IGBT 中 PNP 晶体管的击穿电压确定的。 门极驱动 栅极驱动条件 IGBT 的门极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。 门极电路的正偏压 GSfV 、负偏压 GSrV 和门极电阻 Rg 的大小，对 IGBT 的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及 dV/dt 电流等参数有不同程度的影响。 门极驱动条件与器件特性的关系如表212 所示。 门极正电压 VGS 的变化对 IGBT 开通特性，负载短路 能力和 dVDS/dt 电流有较大的影响，而门极负偏压则对关断特性的影响较大。 在门极驱动电路的设计中，必须注意开通特性，负载短路能力和由 dVD/dt 电流引起的误触发等问题。 如表 212 列出了门极驱动条件与器件特性的关系。 表 21 门极驱动条件与起特性的关系 特 性 Vds（ on） ONT 、 ONE OFFT 、 OFFE 负载短路能力 电流 d DSV /dt ﹢ VGS 增大 降低 降低 — 降低 增加 ﹣ VGS 增大 — — 略减小 — 减少 RG 增大 — 增加 增加 — 减少 根据表 212，对 IGBT 的驱动电路提出下列要求和条件： （ 1） 由于是容性输入阻抗，因此 IGBT 对门极电荷集聚很敏感，驱动电路必须很可 15 靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路。 （ 2） 用低内阻的驱动源对门极电容充放电，以保证门极控制电压 VGS 有足够陡峭的前后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量 小。 另外， IGBT 开通后，门极驱动电源应提供足够功率使 IGBT 不致退饱和而损坏。 （ 3） 门极电路中的正偏压应为﹢ 12V~﹢ 15V；负偏压应为﹣ 2V~﹣ 10V。 （ 4） IGBT 多用于高压场合，故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离。 （ 5） 门极驱动电路应尽可能简单实用，具有对 IG。