合肥工业大学 电力电子技术第五讲第二章

1、 3动态特性 功率MOSFET存在输入电容Cin，包含栅、源电容CGS和栅、漏电容CGD。 当驱动脉冲电压到来时，Cin有充电过程，栅极电压uGS呈指数曲线上升，如图2-29所示。图2-29 功率MOSFET的开关过程波形2.7.2 功率功率MOSFET特性及主要参数特性及主要参数 当uGS上升到开启电压UT时，开始出现漏极电流iD。从驱动脉冲电压前沿时刻到iD的数值达到稳态电流的10%的时间段称为开通延迟时间td(on)。 此后，iD随uGS的上升而上升。从uGS上升到开启电压UT，到漏极电流iD的数值达到稳态电流的90%的时间段称为电流上升时间tri。此时uGS的数值为功率MOSFET进入

2、正向电阻区的栅压UGSP。2.7.2 功率功率MOSFET特性及主要参数特性及主要参数 当uGS上升到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始下降，受栅、漏电容CGD的影响，uGS增长缓慢，波形上出现一个平台期，当uDS下降到导通压降，功率MOSFET进入到稳态导通状态，这一时间段为电压下降时间tfv。 此后uGS继续升高直至达到稳态。功率MOSFET 的开通时间ton是开通延迟时间、电流上升时间与电压下降时间之和，即ton=td(on)+tri+tfv。2.7.2 功率功率MOSFET特性及主要参数特性及主要参数 当驱动脉冲电压下降到零时，栅源极输入电容Cin通过栅极电阻放电，栅

3、极电压uGS按指数曲线下降，当下降到UGSP时，功率MOSFET的漏、源极电压uDS开始上升，这段时间称为关断延迟时间td(off)。 此时栅、漏电容CGD放电，uGS波形上出现一个平台。当uDS上升到输入电压时，iD开始减小，这段时间称为电压上升时间trv。 此后Cin继续放电，uGS从UGSP继续下降，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿 极间电容极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS2.7.2 功率功率MOSFET特性及主要参数特性及主要参数图2-30 功率MOSFET的集成驱动芯片TLP250 与GTO和GTR通过电流来驱动不同，MOSFET是电压驱动型器件（场控器件），其输入阻

4、抗极高，输入电流非常小，有利于驱动电路的设计。 目前对于功率MOSFET的驱动常采用专用的集成驱动芯片，如TOSHIBA公司生产的TLP250等功率MOSFET专用驱动芯片。TLP250包含一个光发射二极管和一个集成光探测器，并集合了晶体管驱动电路。 2.7.3 功率功率MOSFET的驱动的驱动GSDA2.7.4 功率功率MOSFET的应用特点的应用特点 功率MOSFET的薄弱之处是绝缘层易被击穿损坏，栅源间电压不得超过20V。为此，在使用时必须注意若干保护措施。 （1）防止静电击穿 （2）防止栅源过电压 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点 漏源间的耐压、漏极最大允

5、许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区 GTRGTR和和GTOGTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 功率MOSFETMOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。但是导通压降大。 两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 1986年IGBT投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。2.8 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 图2-31 IG

6、BT的外形、简化等效电路和电气图形符号 a) 外形 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号图2-31是IGBT的外形、简化等效电路和电气图形符号，它有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G。2.8.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonGCEb)c)a)CEGGCEE2.8.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理 IGBT的结构的结构 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1，使得IGBT具有很强的通流能力 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，输入为MOSFET，所以IGBT驱

7、动原理与MOSFET基本相同。 RN为MOSFET的等效调制电阻，即漏-源极之间的等效电阻RDS 输出为PNP三极管EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)2.8.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理 IGBT的原理的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定 导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，改变了调制电阻RN，为晶体管提供基极电流，IGBT导通 关断关断：栅射极间施加反压或撤除uGE时，MOSFET内的沟道消失，

8、晶体管的基极电流被切断，使得VJ1截止，IGBT关断 当UGE=0时，MOSFET管内无导通沟道，其调制电阻RN可视为无穷大，IC=0，MOSFET处于断态。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)1、静态伏安特性同样可以用转移特性和输出特性表述2.8.2 IGBT特性及主要参数特性及主要参数O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加图1-23 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性开启电压UGE(

9、th)：IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压 UGE(th)随温度升高会下降 图2-32 IGBT的伏安特性 1、静态伏安特性 IGBT的导通原理和功率MOSFET相似。图2-32为IGBT的伏安特性，它反映在一定的栅极发射极电压UGE下IGBT的输出端电压UCE与电流IC的关系。当UGEUGE(th)（开启电压，一般为36V）时，IGBT开通。当UGEUGE(th)时，IGBT关断。IGBT的伏安特性分为正向阻断区、有源区和饱和区，分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。2.8.2 IGBT特性及主要参数特性及主要参数 图2-32 IGBT的伏安特性 1、静态伏安特性值得注意的是，

10、IGBT的反向电压承受能力很差，其反向阻断电压只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。为满足实际电路的要求，IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，成为逆导器件，选用时应加以注意。2.8.2 IGBT特性及主要参数特性及主要参数图2-33 IGBT的开关过程IGBT的开通过程与功率MOSFET的开通过程很相似。从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的10的时刻，到集电极电流ic上升至电流幅值ICM的10的时刻止，这段时间为开通延迟时间td(on)。而ic从10ICM上升至90ICM所需时间为电流上升时间tri。开通时，集射电压uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。2.8.2

11、IGBT特性及主要参数特性及主要参数图2-33 IGBT的开关过程tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程，由于uCE下降时IGBT中MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此tfv2段电压下降过程变缓。只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入饱和导通状态。开通时间ton为开通延迟时间td(on)、电流上升时间tri与电压下降时间（tfv1+ tfv2）之和。 2.8.2 IGBT特性及主要参数特性及主要参数图2-33 IGBT的开关过程IGBT关断时，从驱动电压

12、uGE的脉冲下降到其幅值的90的时刻起，到集射电压uCE上升到其幅值的10%，这段时间为关断延迟时间td(off)。随后是集射电压上升时间trv，这段时间内栅极-集电极寄生电容CGC放电，栅极电压uGE基本维持在一个电压水平上。集电极电流从90ICM下降至10ICM的这段时间为电流下降时间tf。2.8.2 IGBT特性及主要参数特性及主要参数图2-33 IGBT的开关过程电流下降时间分为tfi1和tfi2两段，其中tfi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流Ic下降较快；tfi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电

13、压，所以N基区内的少子复合缓慢，造成ic下降较慢，这称为IGBT的电流拖尾现象。由于此时uCE已处于高位，相应的关断损耗增加。关断时间toff为关断延迟时间td(off)、电压上升时间trv与电流下降时间（tfi1+ tfi2）之和。IGBT的开关速度要低于功率MOSFET。2.8.2 IGBT特性及主要参数特性及主要参数 3主要参数（1）最大集射极间电压UCEM 这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的，实际应用中应计算IGBT集射极两端的最大电压，并在选型时留有裕量。（2）最大集电极电流 包括额定直流电流ICM和1ms脉宽最大电流ICP。（3）最大集电极功耗PCM 指在正常工

14、作温度下允许的最大耗散功率。2.8.2 IGBT特性及主要参数特性及主要参数2.8.2 IGBT特性及主要参数特性及主要参数 IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力 在电流较大的区域通态压降比功率MOSFET低 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 其栅极驱动条件关系到它的静态和动态特性。一切都从围绕着缩短开关时间、减小开关损耗，保证电

15、路可靠的工作为目标。 原则上IGBT驱动特性与电力MOS几乎相同，但由于两者使用范围不同，所以驱动电路仍有差异。IGBT的输入电容较MOSFET大，故IGBT的关断偏压应比MOSFET驱动电路提供的偏压更高。对IGBT驱动电路的一般要求一般要求为： （1）栅极驱动电压 IGBT导通时，正向栅极电压值应能使IGBT完全饱和，并使通态损耗减至最小，故应保证栅极驱动电压在1220V之间；而反向偏压应在-5-15V之间。 （2）串联栅极电阻 IGBT的导通与关断是通过栅极电路的充放电来实现的，因此栅极电阻对IGBT的动态特性会产生较大的影响。数值较小的栅极电阻能加快栅极电容的充放电，从而减小开关时间和

16、开关损耗，但与此同时也降低了栅极的抗噪声能力，并可能导致栅极-发射极电容和栅极驱动导线的寄生电感产生振荡。 2.8.3 IGBT的驱动的驱动2.8.3 IGBT的驱动的驱动 多采用专用的混合集成驱动器 常用的有三菱公司的M57957 M57963系列和富士公司的EXB840、EXB841、EXB850和EXB851系列，MOTOROLA公司的MC35153。 EXB8XX系列IGBT专用集成驱动电路采用单列直插式封装，使用单电源20V供电，在输出脚3和1间产生约15V的导通驱动电压，而通过内部稳压管在输出脚1和9间产生约-5V的关断偏压。图2-34 EXB8XX驱动模块框图AGCE 标准型驱动

17、电路信号延迟时间为4s，最高运行频率为10kHz；高速型驱动电路信号最大延迟时间为1.5s，最高运行频率为40kHz。 IGBT600V IGBT驱动1200V IGBT驱动150A400A75A300A标准型EXB850EXB851EXB850EXB851高速型EXB840EXB841EXB840EXB841表2-1 IGBT驱动电路的应用电压电流范围2.8.3 IGBT的驱动的驱动 IGBT的常见封装的常见封装2.8.3 IGBT的驱动的驱动 IGBT的驱动的驱动C11104DC-LO1COM2VCC34VS5VB6HO78VDD9HIN10SD11LIN12VSS1314D11IR211

18、0C225V10uC125V10uC12104VD1FR107+15VR210.5W10R1110kR220.5W10R1210k+15VE1V4V1DC+ IGBT是性能理想的中大容量的中高速电压控制型器件，其控制要求简单，在中大功率电力电子装置中已全面取代电力晶体管GTR。 通流能力方面，IGBT综合了功率MOSFET与GTR的导电特性，在1/2或1/3额定电流以下时，GTR的压降起主要作用，IGBT的通态压降表现出负的温度系数；当电流较大时，功率MOSFET的压降起主要作用，则IGBT通态压降表现出正的温度系数，并联使用时也具有电流的自动均衡能力。事实上，大功率的IGBT模块内部就是由许

19、多电流较小的芯片并联制成的。 由于IGBT包含双极型导电机构，其开关速度受制于少数载流子的复合，与功率MOSFET相比有较长的尾部电流时间，因此在设计电路时应考虑降低尾部电流时间引起的功率损耗。2.8.4 IGBT的应用特点的应用特点IGBT的串联的串联 通用的IGBT耐压值不高的缺点，限制了它在需求日益增多的高压设备中的应用，尽管一些厂家研制了高压功率器件，但其只能在一定程度上解决耐高压的问题，应用范围有限。目前性价比较高的IGBT模块的电压等级为1200V和1700V，其中额定电流最大的模块达到3600A，但随着参数的提高，受开关损耗的影响，IGBT允许的开关频率下降的很厉害。而高于170

20、0V的IGBT模块由于技术难度高，生产厂家较少，费用非常昂贵，例如，同为德国英飞凌产品，3300V/300A的IGBT模块单价是1700V/300A的IGBT模块单价的5倍以上，而且其最大开关频率低于500Hz。英飞凌最高电压等级的IGBT模块为6500V，但最大额定电流仅为600A。IGBT的串联的串联 理论上采用中低压IGBT串联是一种较为有效的提高耐压的方法。在IGBT器件参数、驱动时间相同的情况下，根据相应的耐压值，可以将任意多的器件进行串联使用以满足实际需要。然而，由于结构的特殊性以及驱动装置的误差，实际应用中串联器件之之间会产生动态电压不均的问题而损坏设备。 串联IGBT的门极信号的延迟是引起端电压失衡的原因之一，信号的延迟极大地影响了电压的不平衡，门极信号延迟不