IGBT知识归纳总结.docx

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1、IGBT知识归纳总结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。工作原理1方法：IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS（on）数值高的特征JGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS（on）特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT技术高出很多。较

2、低的压降，转换成一个低VCE（sat）的能力，以及IGBT的结构，同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。2导通：IGBT硅片的结构与功率MOSFET的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P基片和一个N缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分）。如等效电路图所示（图1）,其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+区之间创建了一个Jl结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，Jl将处于正向偏压,一些空

3、穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流（MOSFET电流）；空穴电流（双极）。3关断：当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题

4、：功耗升高;交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。4阻断与闩锁：当集电极被施加一个反向电压时，Jl就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因为过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力,所以,这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效（IC和速度相同）PT器件的压力降高的原因。当栅极和发射极短接并在集电极

5、端子上施加一个正电压时，P/NJ3接受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。IGBT工作特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。引起IGBT失效的原因1.过热容易损坏集电极，电流过大引起的瞬时过热及其主要原因，是因散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小,其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度，器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际应用时，一般最高允许的工作温度为125。C左右。2、超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏。擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效

6、应。IGBT为PNPN4层结构，因体内存在一个寄生晶闸管，当集电极电流增大到一定程度时，则能使寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，也能造成寄生晶闸管自锁。3、瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。4、

7、过电压造成集电极、发射极击穿或造成栅极、发射极击穿。IGBT保护的方法当过流情况出现时,IGBT必须维持在短路安全工作区内。IGBT承受短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。为了防止由于短路故障造成IGBT损坏，必须有完善的检测与保护环节。一般的检测方法分为电流传感器和IGBT欠饱和式保护。1、立即关断驱动信号在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，通过逆变桥输入直流母线上的电流传感器进行检测。当检测电流值超过设定的阈值时，保护动作封锁所有桥臂的驱动信号。这种保护方法最直接，但吸收电路和箝位电路必须经特别设计，使其适用于短路情况。这种方法的缺点是会造成IGBT关断时承受应力过大

8、，特别是在关断感性超大电流时，必须注意擎住效应。2、先减小栅压后关断驱动信号IGBT的短路电流和栅压有密切关系,栅压越高,短路时电流就越大。在短路或瞬态过流情况下若能在瞬间将vGS分步减少或斜坡减少，这样短路电流便会减小下来，长允许过流时间。当IGBT关断时，di/dt也减小。限制过电流幅值。IGBT与可控硅的区别IGBT与晶闸管1.整流元件（晶闸管）简单地说：整流器是把单相或三相正弦交流电流通过整流元件变成平稳的可调的单方向的直流电流。其实现条件主要是依靠整流管，晶闸管等元件通过整流来实现。除此之外整流器件还有很多，如：可关断晶闸管GTO,逆导晶闸管，双向晶闸管，整流模块,功率模块IGBT,

9、SITzMOSFET等等，这里只探讨晶闸管。晶闸管又名可控硅，通常人们都叫可控硅。是一种功率半导体器件，由于它效率高，控制特性好，寿命长，体积小等优点，自上个世纪六十年代以来，获得了迅猛发展，并已形成了一门独立的学科。晶闸管交流技术。晶闸管发展到今天，在工艺上已经非常成熟，品质更好，成品率大幅提局J,并向局!压大电流发展。目前国内晶闸管最大额定电流可达5000A,国外更大。我国的韶山电力机车上装载的都是我国自行研制的大功率晶闸管。晶闸管的应用：一、可控整流如同二极管整流一样，可以把交流整流为直流，并且在交流电压不变的情况下，方便地控制直流输出电压的大小即可控整流，实现交流可变直流二、交流调压与

10、调功利用晶闸管的开关特性代替老式的接触调压器、感应调压器和饱和电抗器调压。为了消除晶闸管交流调压产生的高次谐波，出现了一种过零触发,实现负载交流功率的无级调节即晶闸管调功器。交流可变交流。三、逆变与变频直流输电：将三相高压交流整流为高压直流，由高压直流远距离输送以减少损耗，增加电力网的稳定，然后由逆变器将直流高压逆变为50HZ三相交流。直流交流中频加热和交流电动机的变频调速、串激调速等变频，交流频率可变交流四、斩波调压（脉冲调压）斩波调压是直流可变直流之间的变换，用在城市电车、电气机车、电瓶搬运车、铲车（叉车）、电气汽车等，高频电源用于电火花加工。五、无触点功率静态开关（固态开关）作为功率开关

11、元件，代替接触器、继电器用于开关频率很高的场合晶闸管导通条件：晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当正向门极电压，使晶闸管导通过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作用，通常在门极上只要加上一个正向脉冲电压即可，称为触发电压。门极在一定条件下可以触发晶闸管导通，但无法使其关断。要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电压，或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流减小至维持电流（IH）（当门极断开时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持晶闸管导通所需的最小阳极电流叫维持电流），电流会突然降到零，之后再提高电压或减小负载电阻，电流不会再增大，说明晶闸管已恢复阻断。引起IGBT失效的原因1

12、、过热容易损坏集电极，电流过大引起的瞬时过热及其主要原因，是因散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小,其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度，器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际应用时，一般最高允许的工作温度为125。C左右。2、超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏。擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN4层结构，因体内存在一个寄生晶闸管，当集电极电流增大到一定程度时，则能使寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极

13、电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，也能造成寄生晶闸管自锁。3、瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。4、过电压造成集电极、发射极击穿或造成栅极、发射极击穿。IGBT保护方法当过流情况出现时，IGBT必须维持在短路安全工作区内。IGBT承受短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。为了防止由

14、于短路故障造成IGBT损坏，必须有完善的检测与保护环节。一般的检测方法分为电流传感器和IGBT欠饱和式保护。1.立即关断驱动信号在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，通过逆变桥输入直流母线上的电流传感器进行检测。当检测电流值超过设定的阈值时，保护动作封锁所有桥臂的驱动信号。这种保护方法最直接，但吸收电路和箝位电路必须经特别设计，使其适用于短路情况。这种方法的缺点是会造成IGBT关断时承受应力过大，特别是在关断感性超大电流时，必须注意擎住效应。2、先减小栅压后关断驱动信号IGBT的短路电流和栅压有密切关系,栅压越高,短路时电流就越大。在短路或瞬态过流情况下若能在瞬间将vGS分步减少或斜坡减少，

15、这样短路电流便会减小下来，长允许过流时间。当IGBT关断时，di/dt也减小。限制过电流幅值。igbt模块IGBT模块是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件。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，选用时应该降等使用。IGBT使用注意事项由于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

16、化膜很薄其击穿电压一般达到2030Vo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；尽量在底板良好接地的情况下操作。3 ,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,在栅极一发射极间开路时,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