IGBT驱动原理

IGBT 驱动原理

目录

一、简介

二、工作原理

三、技术现状

四、测试方法

五、选取方法

简介：

绝缘栅双极晶体管IGBT 是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR 和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高

(10-40 kHz) 的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。广泛应用于小体积、高

效率的变频电源、电机调速、UPS 及逆变焊机当中。IGBT 的驱动和保护是其应用中的关

键技术。

1 IGBT 门极驱动要求

1.1 栅极驱动电压

因IGBT 栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET 驱动技术进行驱动，但IGBT 的输入电容较MOSFET 大，所以IGBT 的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。图 1 是一个典型的例子。在+20 ℃情况下，实测60 A ，1200 V 以下的IGBT 开通电压阀值为 5 ～6 V ，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc ≥(1.5 ～3)Uge(th) ，当Uge 增加时，导通时集射电压Uce 将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge 增加，集电极电流Ic 也将随之增加，使得IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc 的选择不应太大，这足以使IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力( 在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT 时，+Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力) 。

1.2 对电源的要求

对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT 关断时产生的du/dt 误使IGBT 导通，应加上一个-5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断

( 过大的反向电压会造成IGBT 栅射反向击穿，一般为-2 ～10 V 之间) 。

1.3 对驱动波形的要求

从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使IGBT 快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在IGBT 关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT 过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压Ldi/dt ，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及du/dt 吸收电路性能综合考虑。

1.4 对驱动功率的要求

由于IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出：

I GP = △ U ge /R G +R g ；

式中△Uge=+Uge+|Uge| ；RG 是IGBT 内部电阻；Rg 是栅极电阻。

驱动电源的平均功率为：

P AV =C ge △ Uge 2 f,

式中． f 为开关频率；Cge 为栅极电容。

1.5 栅极电阻

为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT 集电极的电压尖峰，应在IGBT 栅极串上合适的电阻Rg 。当Rg 增大时，IGBT 导通时间延长，损耗发热加剧；Rg 减小时，di/dt 增高，可能产生误导通，使IGBT 损坏。应根据IGBT 的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间( 在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整) 。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏

IGBT ，建议在栅射间加入一电阻Rge ，阻值为10 k Ω左右。

1.6 栅极布线要求

合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护IGBT 正常工作有很大帮助。

a ．布线时须将驱动器的输出级和lGBT 之间的寄生电感减至最低( 把驱动回路包围的面积减到最小) ；

b ．正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合；

c ．应使用辅助发射极端子连接驱动电路；

d ．驱动电路输出不能和IGBT 栅极直接相连时，应使用双绞线连接(2 转/ cm) ；

e ．栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。

1.7 隔离问题

由于功率IGBT 在电力电子设备中多用于高压场合，所以驱动电路必须与整个控制电路

在电位上完全隔离，主要的途径及其优缺点如表 1 所示。

表 1 驱动电路与控制电路隔离的途径及优缺点

利用光电耦合器进行隔离

优点：体积小、结构简单、应用方便、输出脉宽不受限制，适用于PWM 控制器

缺点

1 、共模干扰抑制不理想

2 、响应速度慢，在高频状态下应用受限制

3 、需要相互隔离的辅助电源

利用脉冲变压器进行隔离

优点：响应速度快，共模干扰抑制效果好

缺点：

1、信号传送的最大脉冲宽度受磁芯饱和特性的限制，通常不大于50 %，最小脉宽受磁

化电流限制

2、受漏感及集肤影响，加工工艺复杂

2 典型的门极驱动电路介绍

2.1 脉冲变压器驱动电路

脉冲变压器驱动电路如图 2 所示，V1 ～V4 组成脉冲变压器一次侧驱动电路，通过控制V1 、V4 和V2 、V3 的轮流导通，将驱动脉冲加至变压器的一次侧，二次侧通过电阻R1 与IGBT5 栅极相连，R1 、R2 防止IGBT5 栅极开路并提供充放电回路，R1 上并联的二极管为加速二极管，用以提高IGBT5 的开关速度，稳压二极管VS1 、VS2 的作用是限制加在IGBT5g-e 端的电压，避免过高的栅射电压击穿栅极。栅射电压一般不应超过20 V 。

图2 脉冲变压器驱动电路

2.2 光耦隔离驱动电路

光耦隔离驱动电路如图 3 所示。由于IGBT 是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由PWM控制器输出的方波信号加在三极管V1 的基极，V1 驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路IC1 ，经IC1 放大后驱动由V2 、V3 组成的对管(V2 、V3 应选择β>100 的开关管) 。对管的输出经电阻R1 驱动IGBT4 ，R3 为栅射结保护电阻，R2

与稳压管VS1 构成负偏压产生电路，VS1 通常选用 1 W/5.1 V 的稳压管。此电路的特点

是只用 1 组供电就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。

图3 光耦隔离驱动电路

2.3 驱动模块构成的驱动电路

应用成品驱动模块电路来驱动IGBT ，可以大大提高设备的可靠性，目前市场上可以买

到的驱动模块主要有：富士的EXB840、841，三菱的M57962L，落木源的KA101、KA102，

惠普的HCPL316J、3120 等。这类模块均具备过流软关断、高速光耦隔离、欠压锁定、故障

信号输出功能。由于这类模块具有保护功能完善、免调试、可靠性高的优点，所以应用这类

模块驱动IGBT 可以缩短产品开发周期，提高产品可靠性。HCPL316J典型电路如图 4 所示。

图4 由驱动模块构成的驱动电路

HCPL316J 可以驱动150 A/1200 V 的IGBT ，光耦隔离，COMS/TTL 电平兼容，过流软关断，最大开关速度500 ns ，工作电压15 ～30 V ，欠压保护。输出部分为三重复合达林

顿管，集电极开路输出。采用标准SOL-16 表面贴装。

HCPL316J 输入、输出部分各自排列在集成电路的两边，由PWM电路产生的控制信号加在

316j 的第 1 脚，输入部分需要 1 个5 V 电源，RESET 脚低电平有效，故障信号输出由

第6 脚送至PWM 的关闭端，在发生过流情况时及时关闭PWM输出。输出部分采用+15 V 和-5 V 双电源供电，用于产生正负脉冲输出，14 脚为过流检测端，通过二极管VDDESAT 检测IGBT 集电极电压，在IGBT 导通时，如果集电极电压超过7 V ，则认为是发生了过

流现象，HCPL316J 慢速关断IGBT ，同时由第 6 脚送出过流信号。

3、结语

通过对IGBT 门极驱动特点的分析及典型应用电路的介绍，使大家对IGBT 的应用有一

定的了解。可作为设计IGBT 驱动电路的参考。

工作原理：

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 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。

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。

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。

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

现有技术现状：

开关电源中大功率器件驱动电路的设计一向是电源领域的关键技术之一。普通大功率

三极管和绝缘栅功率器件( 包括VMOS场效应管和IGBT 绝缘栅双极性大功率管等), 由于器件结构的不同, 具体的驱动要求和技术也大不相同。前者属于电流控制器件, 要求合适的电流波

形来驱动; 后者属于电场控制器件, 要求一定的电压来驱动。本文只介绍后者的情况。

VMOS场效应管( 以及IGBT 绝缘栅双极性大功率管等器件) 的源极和栅极之间是绝缘的

二氧化硅结构，直流电不能通过, 因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构

成了一个栅极电容Cgs，因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动功率。小

功率VMOS管的Cgs 一般在10-100pF 之内, 对于大功率的绝缘栅功率器件, 由于栅极电容Cgs 较大，在1-100nF, 甚至更大, 因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏极到栅极的密勒电容

Cdg, 栅极驱动功率是不可忽视的。

为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离

时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了一些优秀的驱动集成电路，如IR2110 。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时，一般有两种途径：采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。

光电耦合器的优点是体积小巧, 缺点是：A. 反应较慢，因而具有较大的延迟时间( 高速型光耦一般也大于500ns) ；B. 光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。

用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。

无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单，也不需要

单独的驱动电源，但由于绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs 一般较大，因而栅源间的波形Vgs 将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取

较大体积。

有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率

器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处

理不当，可能会引进寄生的干扰。

自给电源方法的已有技术是对PWM驱动信号进行高频(1MHz 以上) 调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM调制信号则需经过解调

取得，显然，这种方法并不简单, 价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限

制。

分时式自给电源技术，是国内的发明专利技术，其特点是变压器在输入PWM信号的上升和下降沿只传递PWM信息，在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要的能量，因而波形失真很小。这种技术的缺点是占空比一般只能达到5－95%。

市场驱动器简介：

当前市场上的成品驱动器, 按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分, 可分为直接驱动和隔离驱动两种, 其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。

不隔离的直接驱动器:

在Boost 、全波、正激或反激等电路中，功率开关管的源极位于输入电源的下轨，PWMIC 输出的驱动信号一般不必与开关管隔离，可以直接驱动。如果需要较大的驱动能力, 可以加接一级放大器或是串上一个成品驱动器。直接驱动的成品驱动器一般都采用薄膜工艺制成

IC 电路，调节电阻和较大的电容由外引脚接入。

目前的成品驱动器种类不少，如TI 公司的UCC37XXX系列，TOSIBA公司的TPS28XX系列，Onsemi 公司的MC3315X系列，SHARP公司的PC9XX系列，IR 公司的IR21XX 系列，等等，种类繁多。

使用光电耦合器的隔离驱动器:

隔离驱动产品绝大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅器

件，采用厚膜工艺制成HIC 电路，部分阻容元件也由引脚接入。

目前市售的光电耦合型驱动器产品，主要有FUJI 公司的EXB8XX系列、MITSUBISHI 公司的M579XX系列等M579XX系列、国内的TX-KA系列等。

此类产品，由于光电耦合器的速度限制，一般工作频率都在50KHz以下(TX-KA101 可达80K) 。它们的优点是，大部分具有过流保护功能，其过电流信号是从IGBT 的管压降中取得的；共同的缺点是需要一个或两个独立的辅助电源，因而使用较为麻烦。

由于成本问题，该类产品价格稍高，因此只适用于在大功率电源中驱动IGBT 模块，在中小功率领域难以推广使用。

变压器隔离、一路电源输入，自带DC/DC辅助电源的驱动器:

目前有CONCEP公T司的2SD315A和SEMIKRON公司的SKHI22 等，使用两个脉冲变压器

传递半桥驱动信号，需要一路电源输入，自带一个DC/DC电源提供驱动所需的两个辅助电源．输出的驱动信号质量不错，驱动能力也很强，但由于结构复杂，因而体积较大，价格不

菲，只适用于特大功率电源中。上述两种驱动板的信号传递采用的是调制技术。

变压器隔离、调制式自给电源驱动器:

调制式自给电源驱动器，采用变压器进行电气隔离，通过载频传递驱动所需要的能量，

通过调制信号传递PWM信息，因此可以通过0－100%占空比的PWM信号。目前的许多驱动板

产品都采用这种技术，如西门康的SKHI27 等。

单片式的调制驱动器，目前国外还未见有产品出售。但有一种 2 片组合式的，如UNITRODE公司的UC3724/25 集成电路对，其中3724 与驱动源相连，3725 与被驱动的绝缘栅器件相连，3724 与3725 之间由用户接入一个脉冲变压器，在UC3724中将PWM信号调制到约1MHz的载波上，送到隔离脉冲变压器的初级，次级输出信号在UC3725中通过直接整流得到自给电源，通过解调取得原PWM信号。

国内的单片式调制驱动器，有TX-KE系列，特点是除无需用户提供辅助电源外，还具有

隔离电压高的特点，但是价格较高。

变压器隔离、分时式自给电源驱动器:

分时式自给电源驱动器产品的优点是：价格便宜，大中小功率的电源都可应用；驱动

器自身不需要单独的供电电源，简化了电路；输出驱动脉冲的延迟很少，上升和下降沿也相当陡峭；工作频率较高；并且可在占空比5-95%的范围内工作。

分时式自给电源驱动器的缺点是：当工作频率较低时变压器的体积较大，厚膜化困难，

由于自给电源提供的能量有限、难以驱动300A/1200V 以上的IGBT。

测试方法：

输出波形

带保护功能的驱动器和驱动板，用户如要测试正常的静态( 不加主电情况下) 输出波形，需要注意以下几点：

1、如果功率管IGBT 或MOSFET已经连接在电路中了，则加上驱动电源和PWM输入信号，就可以在输出端用示波器看到相应的输出信号。

2、如果功率管没有接，只是在做一个输出测试，那么必须将应接功率管集电极和发射

极( 或漏极和源极) 的两点予以短路才行。因为如果集电极或漏极悬空，那么驱动器或驱动板

将认为功率管处于短路状态而启动内部的保护机制，这时看到的将是驱动器输出的保护信号波形，无论是波形形状还是周期都与输入的PWM信号完全不同。

短路保护

IGBT 在应用中要解决的主要问题就是如何在过流、短路和过压的情况下对IGBT 实行比较完善的保护。过流故障一般需要稍长的时间才使电源过热，因此对它的保护都由主控制板

来解决。过压一般发生在IGBT 关断时，较大的di/dt 在寄生电感上产生了较高的电压，这

需要用缓冲电路来钳制，或者适当降低关断的速率。短路故障发生后瞬时就会产生极大的电

流，很快就会损坏IGBT，主控制板的过流保护根本来不及，必须由驱动电路或驱动器立刻

加以保护。

因此驱动器的短路保护功能设计的是否完善，对电源的安全运行至关重要。拿到一个

驱动电路，使用前先测试一下它的短路保护功能是否完善，是很有必要的。本文介绍两种测试方法。

1、第一种测试方法

图中PWM信号送到驱动器的信号输入端，故障后再启动电容Creset=10nF ，Dhv 是高反压快恢复管，限流电阻Rlimit=10 －100R，电容C=10－470uF。示波器可在驱动器的输入和输出端监测。如果不接Creset ，则驱动器输出端输出的是约1ms 的脉冲，也就是IGBT 每1ms 短路一次。考虑到有的IGBT 在这种情况下时间长了仍有可能过热烧毁，接入10nF 的Creset 后，则为约12ms 短路一次，保证了IGBT 的安全。

过流动作阈值设置电阻Rn 的选取，请根据所试驱动器说明中的关于Rn 的说明和所试

验IGBT 的正向伏安特性曲线选取合适的阻值。

在单管电路的开关电源中，接入适当的Creset 后，可以省去通常的短路信号反馈光耦。

2、第二种测试方法

与第一种方法类似，只是不让IGBT 始终保持短路，用手工来短路A、B 两点。这种短

路试验比第一种更严酷，对驱动器的要求也更高，因为手工短路，不可能一下接实，实际是

一连串的通断过程。注意：实验时一定注意人身安全，最好在工频输入处加一个隔离变压

器。

典型IGBT 驱动芯片的测试电路原理图

驱动片位置焊一个40 线的锁紧插座，便于使用。

输入端接矩形波信号发生器，频率可取50KHz 。

Ri 根据信号发生器的幅值决定，以保证输入电流10mA 。

插卸驱动片时要先切断开关K1 ，不能带电插卸。

T1 和T2 处接双踪示波器的 2 个探头。

测试正常驱动波形时，示波器同步于T1 。

按下K2 测试保护波形，示波器应同步于T2 。

选取方法：

一、栅极电阻Rg 的作用

1、消除栅极振荡

绝缘栅器件(IGBT 、MOSFET的) 栅射（或栅源）极之间是容性结构，栅极回路的寄生电

感又是不可避免的，如果没有栅极电阻，那栅极回路在驱动器驱动脉冲的激励下要产生很强

的振荡，因此必须串联一个电阻加以迅速衰减。

2、转移驱动器的功率损耗

电容电感都是无功元件，如果没有栅极电阻，驱动功率就将绝大部分消耗在驱动器内

部的输出管上，使其温度上升很多。

3、调节功率开关器件的通断速度

栅极电阻小，开关器件通断快，开关损耗小；反之则慢，同时开关损耗大。但驱动速

度过快将使开关器件的电压和电流变化率大大提高，从而产生较大的干扰，严重的将使整个

装置无法工作，因此必须统筹兼顾。

二、栅极电阻的选取

1、栅极电阻阻值的确定

各种不同的考虑下，栅极电阻的选取会有很大的差异。初试可如下选取：

IGBT 额定电流(A) 50 100 200 300 600 800 1000 1500 Rg 阻值范围( Ω) 10~20 5.6~10 3.9~7.5 3~5.6 1.6~3 1.3~2.2 1~2 0.8~1.5 不同品牌的IGBT 模块可能有各自的特定要求，可在其参数手册的推荐值附近调试。

2、栅极电阻功率的确定

栅极电阻的功率由IGBT 栅极驱动的功率决定，一般来说栅极电阻的总功率应至少是栅

极驱动功率的 2 倍。

IGBT 栅极驱动功率P=FUQ，其中：

F 为工作频率；

U 为驱动输出电压的峰峰值；

Q 为栅极电荷，可参考IGBT 模块参数手册。

例如，常见IGBT 驱动器( 如TX-KA101) 输出正电压15V，负电压-9V ，则U=24V，

假设F=10KHz，Q=2.8uC

可计算出P=0.67w ，栅极电阻应选取2W电阻，最好是 2 个1W电阻并联。

三、设置栅极电阻的其他注意事项

1、尽量减小栅极回路的电感阻抗，具体的措施有：

a) 驱动器靠近IGBT 减小引线长度；

b) 驱动的栅射极引线绞合，并且不要用过粗的线；

c) 线路板上的 2 根驱动线的距离尽量靠近；

d) 栅极电阻使用无感电阻；

e) 如果是有感电阻，可以用几个并联以减小电感。

2、IGBT 开通和关断选取不同的栅极电阻

通常为达到更好的驱动效果，IGBT 开通和关断可以采取不同的驱动速度，分别选取Rgon 和Rgoff （也称Rg+ 和Rg- ）往往是很必要的。

IGBT 驱动器有些是开通和关断分别输出控制，如

接上Rgon和Rgoff 就可以了。

TX-KA101、TX-KA102 等，只要分别

有些驱动器只有一个输出端，如TX-K841L、TX-KA962F 等，这就要在原来的Rg 上再并联一个电阻和二极管的串联网络，用以调节 2 个方向的驱动速度。

3、在IGBT 的栅射极间接上加主电高压，通过米勒电容烧毁考虑到上述因素，用户最好再在Rge=10－100K 电阻，防止在未接驱动引线的情况下，偶然IGBT。DA962Dx、DA102Dx等一些驱动板已经有Rge 了，但IGBT 的栅射极或MOSFET栅源间加装Rge。

IGBT的结构和工作原理

IGBT的结构和工作原理 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（Drain injector ），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，流过反向基极电流，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。 2.IGBT 的工作特性 1.静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内，Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示： Uds(on) ＝Uj1 ＋Udr ＋IdRoh 式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。

igbt工作原理及应用

igbt工作原理及应用 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的保护 引言 绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,因此,可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。 1 IGBT的工作原理 IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止 由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：

——IGBT栅极与发射极之间的电压; ——IGBT集电极与发射极之间的电压; ——流过IGBT集电极－发射极的电流; ——IGBT的结温。 如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。 2 保护措施 在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施。 2．1 IGBT栅极的保护 IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上

IGBT驱动原理

IGBT 驱动原理 目录 一、简介 二、工作原理 三、技术现状 四、测试方法 五、选取方法 简介： 绝缘栅双极晶体管IGBT 是第三代电力电子器件，安全工作，它集功率晶体管GTR 和功率场效应管MOSFET的优点于一身，具有易于驱动、峰值电流容量大、自关断、开关频率高 (10-40 kHz) 的特点，是目前发展最为迅速的新一代电力电子器件。广泛应用于小体积、高 效率的变频电源、电机调速、UPS 及逆变焊机当中。IGBT 的驱动和保护是其应用中的关 键技术。 1 IGBT 门极驱动要求 1.1 栅极驱动电压 因IGBT 栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET 驱动技术进行驱动，但IGBT 的输入电容较MOSFET 大，所以IGBT 的驱动偏压应比MOSFET驱动所需偏压强。图 1 是一个典型的例子。在+20 ℃情况下，实测60 A ，1200 V 以下的IGBT 开通电压阀值为 5 ～6 V ，在实际使用时，为获得最小导通压降，应选取Ugc ≥(1.5 ～3)Uge(th) ，当Uge 增加时，导通时集射电压Uce 将减小，开通损耗随之减小，但在负载短路过程中Uge 增加，集电极电流Ic 也将随之增加，使得IGBT 能承受短路损坏的脉宽变窄，因此Ugc 的选择不应太大，这足以使IGBT 完全饱和，同时也限制了短路电流及其所带来的应力( 在具有短路工作过程的设备中，如在电机中使用IGBT 时，+Uge 在满足要求的情况下尽量选取最小值，以提高其耐短路能力) 。

1.2 对电源的要求 对于全桥或半桥电路来说，上下管的驱动电源要相互隔离，由于IGBT 是电压控制器件，所需要的驱动功率很小，主要是对其内部几百至几千皮法的输入电容的充放电，要求能提供较大的瞬时电流，要使IGBT 迅速关断，应尽量减小电源的内阻，并且为防止IGBT 关断时产生的du/dt 误使IGBT 导通，应加上一个-5 V 的关栅电压，以确保其完全可靠的关断 ( 过大的反向电压会造成IGBT 栅射反向击穿，一般为-2 ～10 V 之间) 。 1.3 对驱动波形的要求 从减小损耗角度讲，门极驱动电压脉冲的上升沿和下降沿要尽量陡峭，前沿很陡的门极电压使IGBT 快速开通，达到饱和的时间很短，因此可以降低开通损耗，同理，在IGBT 关断时，陡峭的下降沿可以缩短关断时间，从而减小了关断损耗，发热量降低。但在实际使用中，过快的开通和关断在大电感负载情况下反而是不利的。因为在这种情况下，IGBT 过快的开通与关断将在电路中产生频率很高、幅值很大、脉宽很窄的尖峰电压Ldi/dt ，并且这种尖峰很难被吸收掉。此电压有可能会造成IGBT 或其他元器件被过压击穿而损坏。所以在选择驱动波形的上升和下降速度时，应根据电路中元件的耐压能力及du/dt 吸收电路性能综合考虑。 1.4 对驱动功率的要求 由于IGBT 的开关过程需要消耗一定的电源功率，最小峰值电流可由下式求出： I GP = △ U ge /R G +R g ； 式中△Uge=+Uge+|Uge| ；RG 是IGBT 内部电阻；Rg 是栅极电阻。 驱动电源的平均功率为： P AV =C ge △ Uge 2 f, 式中． f 为开关频率；Cge 为栅极电容。 1.5 栅极电阻 为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡，减小IGBT 集电极的电压尖峰，应在IGBT 栅极串上合适的电阻Rg 。当Rg 增大时，IGBT 导通时间延长，损耗发热加剧；Rg 减小时，di/dt 增高，可能产生误导通，使IGBT 损坏。应根据IGBT 的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取Rg 的数值。通常在几欧至几十欧之间( 在具体应用中，还应根据实际情况予以适当调整) 。另外为防止门极开路或门极损坏时主电路加电损坏 IGBT ，建议在栅射间加入一电阻Rge ，阻值为10 k Ω左右。 1.6 栅极布线要求 合理的栅极布线对防止潜在震荡，减小噪声干扰，保护IGBT 正常工作有很大帮助。 a ．布线时须将驱动器的输出级和lGBT 之间的寄生电感减至最低( 把驱动回路包围的面积减到最小) ； b ．正确放置栅极驱动板或屏蔽驱动电路，防止功率电路和控制电路之间的耦合； c ．应使用辅助发射极端子连接驱动电路； d ．驱动电路输出不能和IGBT 栅极直接相连时，应使用双绞线连接(2 转/ cm) ； e ．栅极保护，箝位元件要尽量靠近栅射极。 1.7 隔离问题

IGBT的工作原理与工作特性

IGBT的工作原理和工作特性 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，流过反向基极电流，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的工作特性包括静态和动态两类： 1．静态特性 IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。 IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，

其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示: Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh （2－14） 式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～IV； Udr——扩展电阻Rdr上的压降；Roh——沟道电阻。 通态电流Ids可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos (2－15） 式中Imos——流过MOSFET的电流。 由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V 的IGBT通态压降为2～3V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 2．动态特性 IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应

解析IGBT工作原理及作用

解析IGBT工作原理及作用 一、IGBT是什幺 ?IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，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。 ?通俗来讲:IGBT是一种大功率的电力电子器件，是一个非通即断的开关，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。三大特点就是高压、大电流、高速。 ?二、IGBT模块 ?IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降 低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工 作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。 ?IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之 间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之 间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，

IGBT 的工作原理和工作特性

IGBT 的工作原理和工作特性 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，流过反向基极电流，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的工作特性包括静态和动态两类： 1．静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。 IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系.IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示 Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh（2－14） 式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～IV；

IGBT管的结构与工作原理

IGBT管的结构与工作原理 1.IGBT的结构与工作原理图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（ Drain injector ），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，流过反向基极电流，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。 2.IGBT 的工作特性 1.静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无 N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最

IGBT的工作原理和作用以及IGBT管的检测方法

IGBT的工作原理和作用以及IGBT管的检测方法 IGBT的工作原理和作用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的工作原理和作用电路分析IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。 图1 IGBT的等效电路 由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定： --IGBT栅极与发射极之间的电压； --IGBT集电极与发射极之间的电压； --流过IGBT集电极-发射极的电流； --IGBT的结温。 如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能

IGBT工作原理及应用

IGBT工作原理及应用 1 IGBT的工作原理IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通, 这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止由此可知,IGBT的安 全可靠与否主要由以下因素决定：IGBT栅极与发射极之间的电压;IGBT集电极与发射极之间的电压;流过IGBT集电极－发射极的电流;IGBT的结温。如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极 与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT 集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT 的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。2 保护措施在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施。 2、1 IGBT栅极的保护IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的 电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集

电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上电压,则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生,应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几kΩ的电阻,此电阻应尽量靠近栅极与发射极。如图2所示。由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体,特别是其栅极为MOS结构,因此除了上述应有的保护之外,就像其他MOS 结构器件一样,IGBT对于静电压也是分敏感的,故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：在需要用手接触IGBT前,应先将人体上的静电放电后再进行操作,并尽量不要接触模块的驱动端子部分,必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉;在焊接作业时,为了防止静电可能损坏IGBT,焊机一定要可靠地接地。IGBT在不间断电源的应用、2、2 集电极与发射极间的过压保护过电压的产生主要有两种情况,一种是施加到IGBT集电极－发射极间的直流电压过高,另一种为集电极－发射极上的浪涌电压过高。 2、2、1 直流过电压直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT 时,进行降额设计;另外,可在检测出这一过压时分断IGBT的输入,保证IGBT的安全。

IGBT模块工作原理以及检测方法

IGBT模块工作原理以及检测方法 IGBT模块简介 IGBT 是Insulated Gate Bipolar Transistor （绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT 是由MOSFE和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFE器件驱动功率小和开关速度快的优点，又 具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFE与功率晶体管之间， 可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。 IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFE导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS截止，切断PNP晶体管基极电 流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFE一样也是电压控制型器件，在它的栅极G-发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。 图1 IGBT的等效电路 2 IGBT模块的选择 IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关 损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用 作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降温等使用。 3使用中的注意事项 由于IGBT模块为MOSFE结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于 此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20?30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点： 1. 在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先ffl 1 iUBT的需戰电曙

igbt工作原理及应用

igbt工作原理及应用

igbt工作原理及应用 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的保护 引言 绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,因此,可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。 1 IGBT的工作原理 IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止 由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：

——IGBT栅极与发射极之间的电压; ——IGBT集电极与发射极之间的电压; ——流过IGBT集电极－发射极的电流; ——IGBT的结温。 如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT 可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。 2 保护措施 在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施。 2．1 IGBT栅极的保护 IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT 的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电

IGBT工作原理及应用

IGBT工作原理及应用 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的保护 引言 绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,因此,可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点,又具有双极型器件容量大的优点,因而,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。 1 IGBT的工作原理 IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止 由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：

——IGBT栅极与发射极之间的电压; ——IGBT集电极与发射极之间的电压; ——流过IGBT集电极－发射极的电流; ——IGBT的结温。 如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。 2 保护措施 在进行电路设计时,应针对影响IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相应的保护措施。 2．1 IGBT栅极的保护 IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上

IGBT的结构原理与特性图解

IGBT的结构原理与特性图解 在IGBT得到大力发展之前，功率场效应管MOSFET被用于需要快速开关的中低压场合，晶闸管、GTO被用于中高压领域。MOSFET虽然有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动电路简单的优点;但是，在200V或更高电压的场合，MOSFET的导通电阻随着击穿电压的增加会迅速增加，使得其功耗大幅增加，存在着不能得到高耐压、大容量元件等缺陷。双极晶体管具有优异的低正向导通压降特性，虽然可以得到高耐压、大容量的元件，但是它要求的驱动电流大，控制电路非常复杂，而且交换速度不够快。 IGBT正是作为顺应这种要求而开发的，它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点(控制和响应)，又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点(功率级较为耐用)，频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十KHz频率范围内。基于这些优异的特性，IGBT一直广泛使用在超过300V电压的应用中，模块化的IGBT 可以满足更高的电流传导要求，其应用领域不断提高，今后将有更大的发展。 IGBT的结构与特性： 如图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(即发射极E)。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-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(Drain injector)，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(即集电极C)。 图1 N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构 IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来

IGBT原理与特性介绍

缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh 式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。 通态电流Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中Imos ——流过MOSFET 的电流。 由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V 的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 动态特性 IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。 IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。 IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv十t(f) 式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增

IGBT工作原理

IGBT 的工作原理是什么? IGBT 的等效电路如图1所示。由图1可知 知,若在IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET 导通,这样PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT 的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET 截止,切断PNP 晶体管 基极电流的供给,使得晶体管截止。 由此可知,IGBT 的安全可靠与否主要由以下因素决定： ——IGBT 栅极与发射极之间的电压; ——IGBT 集电极与发射极之间的电压; ——流过IGBT 集电极－发射极的电流; ——IGBT 的结温。 如果IGBT 栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT 不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT 可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT 集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压,流过IGBT 集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流,IGBT 的结温超过 其结温的允许值,IGBT 都可能会永久性损坏。 绝缘栅极双极型晶体管绝缘栅极双极型晶体管（（IGBT ）

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，流过反向基极电流，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的工作特性包括静态和动态两类： 1 ．静态特性:IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。 IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性 相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流 范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体 管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝Uj1 ＋Udr ＋IdRoh 式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～IV ； Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降； Roh ——沟道电阻。 通态电流Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中Imos ——流过MOSFET 的电流。

IGBT模块工作原理及其注意事项学习资料

I G B T模块工作原理及 其注意事项

IGBT模块工作原理及其注意事项 点击次数：602 发布时间：2009-5-9 11:36:45 要：对IGBT的特性及使用时的注意事项进行了探讨，提出了选择和安装过程中应该注意的方面。 1 IGBT模块简介 IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor（绝缘栅双极型晶体管）的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。 IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，若在IGBT的栅极G和发射极E之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极C与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极G—发射极E间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。 图1 IGBT的等效电路

2 IGBT模块的选择 IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降温等使用。 3 使用中的注意事项 由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20～30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点： 1.在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块 端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触 摸； 2.在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上 模块； 3.尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。 此外，在栅极—发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。 在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。

IGBT的工作原理和工作特性 (2)

IGBT的工作原理与工作特性 IGBT的开关作用就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,流过反向基极电流,使IGBT关断。IGBT的驱动方法与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的工作特性包括静态与动态两类: 1.静态特性 IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性与开关特性。IGBT的伏安特性就是指以栅源电压Ugs为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制,Ugs越高,Id越大。它与GTR的输出特性相似.也可分为饱与区1、放大区2与击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT,正向电压由J2结承担,反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT的某些应用范围。 IGBT的转移特性就是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时,IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内,Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性就是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时,由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管,所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时,通态电压Uds(on)可用下式表示: Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh (2－14) 式中Uj1——JI结的正向电压,其值为0、7～IV; Udr——扩展电阻Rdr上的压降;Roh——沟道电阻。 通态电流Ids可用下式表示:Ids=(1+Bpnp)Imos (2－15) 式中Imos——流过MOSFET的电流。 由于N+区存在电导调制效应,所以IGBT的通态压降小,耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V。IGBT处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。 2.动态特性 IGBT在开通过程中,大部分时间就是作为MOSFET来运行的,只就是在漏源电压Uds下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱与,又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间,tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td(on)tri之与。漏源电压的下降时间由tfe1与tfe2组成,如图2－58所示