IGBT应用指南要点.pdf

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1、IGBT 应用指南 IGBT的应用指南 第 1 页共 19 页 目录 1 定义 . 2 2 IGBT 的基本结构 2 3 IGBT 的特点 3 4IGBT的额定参数及其特性术语说明 4 5 IGBT 的主要封装形式 6 6 IGBT 的工作原理和工作特性 6 7 IGBT 的擎住效应和安全工作区. 9 8 IGBT 的驱动 11 9 IGBT 的保护技术 13 10 IGBT 的选用 15 11 IGBT 的典型应用领域 17 12 IGBT 使用时的注意事项 17 13 IGBT 的主要供应商 18 IGBT的应用指南 第 2 页共 19 页 IGBT应用指南 1定义 IGBT：The In

2、sulated Gate Bipolar Transistor (绝缘栅双极型晶体管) 。 绝缘栅双极晶体管本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。 根据国际电工委员会IECTC（CO ）1339 文件建议，其各部分名称基本沿用场效应晶体 管的相应命名。 2IGBT 的基本结构 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

3、 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。 为了兼顾长期以来人们的习惯，IEC 规定：源极引出的电极端子（含电极端）称为发射 极端（子），漏极引出的电极端（子）称为集电极端（子）。这又回到双极晶体管的术语了。 但仅此而已。 IGBT 的结构剖面图如图2 所示。它在结构上类似于MOSFET ，其不同点在于IGBT 是 在N 沟道功率MOSFET

4、的 N+ 基板（漏极）上增加了一个 P+ 基板（IGBT的集电极），形 成 PN结 j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似，正是由于这个P+层赋予 IGBT 各种不同于MOSFET 的电特性。 尽管 IGBT 与功率 MOSFET 的结构有许多相同之处，但 是 IGBT 的工作过程非常接近极型晶体管。 IGBT的应用指南 第 3 页共 19 页 由图2 可以看出， IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区GTR ，其简化等效电路如 图 4 示。图中 Rdr 是厚基区GTR的扩展电阻。IGBT 是以 GTR为主导件、 MOSFET 为驱动件 的复合结构。 N 沟

5、道 IGBT的图形符号有两种，如图5 示。实际应用时，常使用图5 b 所示的符号。 对于 P沟道，图形符号中的箭头方向恰好相反。 3IGBT 的特点 IGBT相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区GTR ， 其简化等效电路如图4 示。图中 Rdr 是 厚基区 GTR的扩展电阻。IGBT是以 GTR为主导件、 MOSFET 为驱动件的复合结构，它集双极 型晶体管和功率MOSFET 的优点于一体。 由于 IGBT内部不存在反向二极管，用户可以灵活选 IGBT的应用指南 第 4 页共 19 页 用外接恢复二极管 I GBT是一种电压控制器件，输入阻抗大，易于驱动。在图4 的 G-E 间之间加正电压

6、时， 器件导通；在G-E 间之间的电压为0 和负电压时，器件关断。 I GBT比 MOSFET 的耐压高，电流容量大。 I GBT的开关速度比双极型晶体管快。 I GBT可以通过控制栅极电压实现过流保护。 具有优越的通态特性。 峰值容量大，有较宽的安全工作区。 下面是 IGBT与 MOSFET 的几个主要不同点： IGBT MOSFET 少子 /多子导电多子导电 低的正向压降高的导通电阻 关断时间约为500ns 关断时间 100ns,可以在 MHz 下工作 无内部二极管有反向内部寄生二极管 4 层器件3 层器件 4IGBT的额定参数及其特性术语说明 4.1 IGBT的额定参数 1）在 25和

7、100时的连续集电极电流IC： 该参数表示从规定的壳温到额定结温 时的直流电流，该电流可由下式计算： IC=T/-c.IC.VCE(ON) 式中， T 是众规定壳温到最高结温为150时， 给定器件的连续集电极电流与壳温 的关系。 2） 脉冲集电极电流（ICM） ：在温度极限内IGBT的峰值电流可以超过额定的连续直流 电流。 3） 集电极发射极电压（VCE） ：为了避免PN结击穿， IGBT 两端的电压决不能超过这 个额定电值。 4） 最高栅极发射极电压（VGE） ：栅极电压受栅极氧化层的厚度和特性限制。虽然栅 极的绝缘击穿电压约为80V, 但是，为了保证可靠工作并且限制故障状态下的电流，栅极电

8、 压通常应限制在20V以内。 5） 箝位电感负载电流（ILM） ：在电感负载电路中，这个额定值能够确保电流为规定值 时， IGBT能够重复送断。这个额定值也能够保证IGBT 同时承受高电压和大电流。 6） 25和 100时的最大功率（PD） ：它由下式计算：PD=T/ J-C 。 7） 结温（ TJ） ：器件能够在- 55到 100的工业标准温度范围内正常工作。 4.2 特性术语说明 术语符号定义及说明（测定条件参改说明书） 集电极、发射极间电压 VCES 门极、发射极间短路时的集电极，发射极间的最大电压 门极发极间电压 VGES 集电极、发射极间短路时的门极，发射极间最大电压 集电极电流 I

9、C 集电极所允许的最大直流电流 Ic pulse 集电极所允许的最大脉冲电流 -IC 内藏二极管所允许的最大直流正向电流 IGBT的应用指南 第 5 页共 19 页 -Ic pulse 内藏二极管所允许的最大脉冲正向电流 最大损耗 PC 单个 IGBT 所允许的最大电力损耗 结温度 Tj 元件连续工作时蕊片温厦 保存温厦 Tstg 不加电时保存及运输时的温度范围 绝缘耐压 Vis 电极完全处于短路状态时，在电极与冷却体安装面之间所允许的 正弦波电压最大有效值 紧固力矩 Mounting 用镙钉固定元件及冷却体时的最大力矩值及推荐值 Terminals 用镙钉固定端子及外部引线时的最大力矩值及推

10、荐值 集电极、发射极间切断 电流 ICES 门极、发射极问短路在集电极、发射极间加上指定的电压时的集 电极电流 门极、发射极间漏电流 IGES 集电极、发射极间短路，在门极间加上指定的电压时的门极漏电 流 门极、发射极间切断电 压 V GE(th) 在指定的集电极电流和集电极、发射极间电压的情况下，门极、 发射极间的电压 集电极、发射极间的饱 和电压 V CE(sat) 在指定的集电极电流和门集、发射极间电压的情况下，集电极、 发射极间的电压 输入电容 Cles 集电极、发射极间处于交流短路状态，在门极、发射极间及集电 极、发射极间加上指定电压时，集电极、发射极间的电容 输出电容 Coes 门

11、极、发射极间处于交流短路状态，在门极、 发射极间及集电极、 发射极间加上指定电压时，集电极、发射极间的电容 归还电容 Cces 发射极接地，在门极、发射极间加上指定电压时，集电极、门极 间的电容 接通时间 ton IGBT 接通时，门极、发射极间电压上升至OV 时开始至集电极、 发射极电压下降到10为止的时间 上升时间 t2 IGBT 接通时，集电极电流上升到10，开始至集电极、发射极 间电压下降到10时为止的时间 关断时间 tf IGBT 关断时，门极、发射极间电压下降到90时，开始至集电 极、电流下降到10时为止的时间 下降时间 toff 集电极电流从90下降到 10时为止的时间 二极管正

12、间电压 V F 内藏二极管流有指定正向电流时的正间电压 逆向恢复时间 tis 内藏二极管逆向恢复电流消失时为止所需要的时间 逆向恢复电流 lus 内藏二极管正向电流切断时，在反方向流的电流峰值 热电阻 Rth(1-c) IGBT 或内藏二极管的蕊片，封盒间热电阻 R th(c-3) 采用热复合物并用推荐的力矩值固定元件与冷却体时封盒、冷却 体间的热电阻 门电阻 R c 门串接电阻值（推荐值在开关时间测定条件中记述） IGBT的应用指南 第 6 页共 19 页 门极充电电量 Qg 为使 IGBT 导通，在门极上所充电的电量 开关偏置安全工作范围 RBSOA 关断时，往指定的条件下，可以切断IGB

13、T 时的电流，电压范围 封壳温度 Tc IGBT 封盒温度 5IGBT 的主要封装形式 IGBT 的主要封装形式 (资料源自 IR 公司) IGBT 单元器件封装形式（Discrete and Co-Pack Packages） D 2Pak (SMD-220) Case Outline Tape and Reel D-Pak Case Outline Tape and Reel Part Marking Footprint Super-247 Case Outline Mounting Guidelines TO-220AB Case Outline Part Marking TO-220A

14、B FullPak Case Outline Leadform Options TO-247AC Case Outline Leadform Options TO-262 Package Outline Part Marking IGBT 模块封装形式（Modules ） Dual INT-A-Pak Package Outline IMS-2 Package Outline INT-A-Pak Package Outiline SOT-227 Package Outline MTP (Full-Bridge) Case Outline MTP (Half-Bridge Case Outlin

15、e 6IGBT 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 IGBT的应用指南 第 7 页共 19 页 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 MOS FET 的沟道形成后，从 P+基极注入到 N-层的空穴（少子） ，对 N-层进行电导调 制，减小N-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

16、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

17、 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 （1） 式中 Uj1 JI 结的正向电压，其值为 0.7 IV ；

18、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） 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。实际应用中常给出的漏极电流开通

19、时间 ton 即为 td (on) 和tri 之和。漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成，如图7 所示。 IGBT的应用指南 第 8 页共 19 页 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 8 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) （3） 式中，td(off) 与trv 之和又称为存储

20、时 间。 IGBT的应用指南 第 9 页共 19 页 7IGBT 的擎住效应和安全工作区 A 擎住效应 在分析擎住效应之前，我们先回顾一下 IGBT 的工作原理（这里假定不发生擎住效应）。 1 当 Uce 0 时， J3 反偏，类似反偏二极管，IGBT反向阻断； 2 当 Uce 0 时，在 UcUth 的情况下，沟道未形成，IGBT正向阻断；在U。 Uth 情况下，栅极的沟道形成，N+ 区的电子通过沟道进入N-漂移区，漂移到 J3 结，此 时 J3 结是正偏，也向 N- 区注入空穴，从而在 N- 区产生电导调制，使 IGBT 正向导通。 3 IGBT 的关断。在IGBT 处于导通状态时，当栅极

21、电压减至为零，此时Ug0 Uth ，沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使Ic 有一个突降。但由于 N- 区注入大量 电子、空穴对，IC 不会立刻为零，而有一个拖尾时间。 IGBT 为四层结构，体内存在一个奇生晶体管，其等效电路如图9 所示。在V2的基极与 发射极之间并有一个扩展电阻 Rbr ，在此电阻上 P 型体区的横向空穴会产生一定压降，对 IGBT的应用指南 第 10 页共 19 页 J3 结来说，相当于一个正偏置电压。在规定的漏极电流范围内，这个正偏置电压不大， V2 不起作用，当Id 大到一定程度时，该正偏置电压足以使 V2 开通，进而使 V2 和 V3 处于 饱和状态，于是寄生晶体管

22、开通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。 擎住效应发生的原因：集电极电流过大（静态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效 应） ，温度过高。 IGBT 发生擎住效应后，漏极电流增大，造成过高功耗，导致损坏。可见，漏极电流有 一个临界值Idm。当 Id Idm 时便会产生擎住效应。 在 IGBT 关断的动态过程中，假若dUdsdt 过高，那么在 J2 结中引起的位移电流Cj2 （dUds/dt ）会越大，当该电流流过体区扩展电阻 Rbr 时，也可产生足以使晶体管 V2 开通 的正向偏置电压，满足寄生晶体管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。使用中必须防止 IGBT 发生擎住效应，为此可限

23、制 Idm 值，或者用加大栅极电阻 Rg 的办法延长IGBT关断 时间，以减少dUds/dt 值。 值得指出的是， 动态擎住所允许的漏极电流比静态擎住所允许的要小，生产厂家所规定 的） Id 值是按动态擎住所允许的最大漏极电流来确定的。 B 安全工作区 安全工作区（SOA ）反映了一个晶体管同时承受一定电压和电流的能力。IGBT 开 通时的正向偏置安全工作区（FBSOA ） ，由电流、电压和功耗三条边界极限包围而成。最大漏 极电流 Idm 是根据避免动态擎住而设定的，最大漏源电压Udsm是由 IGBT 中晶体管V3 的 击穿电压所确定，最大功耗则是由最高允许结温所决定。导通时间越长，发热越严重

24、，安全 工作区则越窄，如图10a 所示。 IGBT 的反向偏置安全工作区（RBSOA ）如图10b 所示，它随IGBT 关断时的dUds dt 而改变， dUdsdt 越高， RBSOA 越窄。 IGBT 安全工作区的三个主要状态如下： （1）短路工作。 IGBT的电流受栅极电压和跨导限制，并且电流值可能超过额定电流的 10 倍。由于N+源区下方P 阱区的横向电阻rb使寄生的双极型NPN 管导通，造成IGBT 锁 定。减小rb 或者减小器件的总跨导（特别是PNP 管的增益），可以避免出现上述情况，但 是减小器件的总跨导将增加导通损耗并且降低开关速度。 IGBT的应用指南 第 11 页共 19

25、页 （2）电感负载关断。在电感负载关断状态，电压以几伏到电源电压之间波动，电流从恒 定电流到零之间变化。为了避免发生 “ 动态锁定 ” 状态。 某些制造厂提出利用栅极驱动电阻来 降低关断dv/dt 并且维持一定的电子电流。IR 公司的 IGBT 在最高开关速度下工作时，不会 发生任何问题，限制开关速度的原因是器件的外部电路，而不是器件的内部结构。 （3）作为线性放大器工作。该器件更适合作线性放大器用。IR 公司的 IGBT 在任意工作 状态下都不会发生二次击穿现象。 正偏安全工作区（FBSOA ）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确 定 反向偏置安全工作区（RBSOA ）最大集电

26、极电流、最大集射极间电压和最大允许电压 上升率 duCE/dt确定 8IGBT 的驱动 IGBT的驱动条件与IGBT的特性密切相关。 设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、 负载短路能力和dUdsdt 引起的误触发等问题。 正偏置电压 Uge 增加，通态电压下降，开通能耗Eon 也下降，分别如图11a 和 b 所 示。由图中还可看出，若+Uge 固定不变时，导通电压将随漏极电流增大而增高，开通损耗 将随结温升高而升高。 负偏电压 -Uge 直接影响 IGBT 的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降， 对关断能耗无显著影响，-Uge 与集电极浪涌电流和关断能耗Eoff 的关系分别如图1

27、3a 和 b 所示。 IGBT的应用指南 第 12 页共 19 页 在正常状态下IGBT开通越快，损耗越小。但在开通过程中如有续流二极管的反向恢复 电流和吸收电容的放电电流，则开通越快，IGBT 承受的峰值电流越大，越容易导致IGBT损 害。此时应降低栅极驱动电压的上升速率，即增加栅极串联电阻的阻值，抑制该电流的峰值。 其代价是较大的开通损耗。 栅极串联电阻和驱动电路内阻抗对IGBT 的开通过程影响较大，而对关断过程影响小一 些，门极电阻Rg增加，将使IGBT 的开通与关断时间增加，因而使开通与关断能耗均增加； 而门极电阻减少， 则又使 di/dt增大，可能引发 IGBT 误导通，同时 Rg上

28、的损耗也有所增加。 具体关系如图14。因此对串联电阻要根据具体设计要求进行全面综合的考虑。 由上述不难得知：IGBT 的特性随门极驱动条件的变化而变化, 就象双极型晶体管的开 关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。但是IGBT 所有特性不能同时最佳化。 双极型晶体管的开关特性随基极驱动条件（Ib1 ，Ib2 ）而变化。然而，对于IGBT 来说， 正如图 13 和图 14 所示，门极驱动条件仅对其关断特性略有影响。因此，我们应将更多的 注意力放在IGBT 的开通、短路负载容量上。 严格地说，能否充分利用IGBT 器件的性能，关键取决于驱动电路的设计。IGBT驱动电 路必须能提供适当的正向栅压、

29、足够的反向栅压、足够的输入输出电隔离能力, 以及具有栅 压限幅电路等。 对驱动电路的要求可归纳如下： l ） IGBT 与MOSFET 都是电压驱动，都具有一个2.5 5V 的阈值电压，有一个容 性输入阻抗，因此 IGBT 对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗 IGBT的应用指南 第 13 页共 19 页 值的放电回路，即驱动电路与 IGBT 的连线要尽量短。 2） IGBT 的滞留输入阻抗很高且为纯容性的，静态时不需要直流电流，它之需要对输 入电容进行充放电的动态电流。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减小IGBT集 电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻RG，根据

30、 IGBT 的电流容量和电压额定值及开关频 率的不同，选择合适的RG值，一般选RG为十几欧到几百欧。 3) 为了防止干扰信号使IGBT 误导通，在栅射极之间务必并接一只电阻RGE，一般RGE 取值为（ 1000-5000 ）RG，并且应将RGE 并接在栅极和射极的最近处。 4） 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压 Uge, 有足够陡的前后 沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率， 使 IGBT不退出饱和而损坏。 5） 驱动电路要能传递几十kHz 的脉冲信号。 6） 驱动电平Uge 也必须综合考虑。Uge 增大时， IGBT 通

31、态压降和开通损耗均下降， 但负载短路时的Ic 增大， IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路 过程的设备中Uge 应选得小些，一般选12 15V 。 7） 在关断过程中， 为尽快抽取PNP管的存储电荷， 须施加一负偏压-Uge, 但它受 IGBT 的 G 、E间最大反向耐压限制，一般取-1v -10V 。 8） 在大电感负载下，IGBT 的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压， 确保 IGBT 的安全。 9） 由于 IGBT 在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应 严格隔离。 10） IGBT 的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身

32、带有对 IGBT 的保护功能，有 较强的抗干扰能力。 9IGBT 的保护技术 IGBT 模块因过电流、过电压等异常现象有可能损坏。因此，必须在对器件的特性充分 了解的情况下，设计出与器件特性相匹配的过电压、过电流、过热等保护电路。 1） IGBT 的栅极驱动保护 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 般只能达到20 30V，因此栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。 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。 通常采用绞 线来传送驱动信号，以减小寄

33、生电感，并且长度最好不超过0.5m。在栅极连线中串联小电 阻也可以抑制振荡电压。 此外，为了防止栅极驱动电路出现高压尖峰，在栅极与射极间并接2 只反向串联的稳压 二极管，其稳压值应与正栅压+UGE和负栅压 -UGE相同而方向相反。 2） IGBT 的过流保护 IGBT的过流保护电路可分为2 类：一类是低倍数的（1.2 1.5 倍）的过载保护；一类 是高倍数（可达810 倍）的短路保护。 对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电 流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT 驱动器的输入脉冲，使输出电流降 为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能

34、恢复正常工作。 IGBT 能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT 的导通饱和压 降有关， 随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的 IGBT允许承受的短路时间 IGBT的应用指南 第 14 页共 19 页 小于 5 s，而饱和压降3V的 IGBT允许承受的短路时间可达15s，45V 时可达 30s 以 上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT 的阻抗也降低，短路电流同时增 大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。 通常采取的保护措施有软关断和降栅压2 种。软关断指在过流和短路时，直接关断 IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一

35、旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增 加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在 这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。 所以往往是 保护电路启动了，器件仍然坏了。 降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有 固定延时， 故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长 了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后 故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态， 因而大大增强了抗骚扰能力

36、。 上述降栅压的方法只考虑了栅压与短路电流大小的关系，而在实际过程中，降栅压的 速度也是一个重要因素，它直接决定了故障电流下降的di/dt。慢降栅压技术就是通过限制 降栅压的速度来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的dv/dt和uce的峰值。 3）IGBT开关过程中的过电压 关断 IGBT 时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取 软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/ s。极高的电流下降率将会在主电路的分 布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT 关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安 全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越

37、小越好。但对 于 IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充 放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开 关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。 4） IGBT 的关断缓冲吸收电路 为了使 IGBT 关断过电压能得到有效的抑制并减小关断损耗，通常都需要给IGBT主电路 设置关断缓冲吸收电路。IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型。 充放电型有RC吸收和RCD吸收 2 种。如图6 所示。 图 15 充放电型IGBT缓冲吸收电路 RC吸收电路因电容C的充电电流在电阻R上产

38、生压降，还会造成过冲电压。RCD电 路因用二极管旁路了电阻上的充电电流，从而克服了过冲电压。 图 7 是三种放电阻止型吸收电路。放电阻止型缓冲电路中吸收电容Cs的放电电压为 电源电压，每次关断前，Cs仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路 的功耗。因电容电压在IGBT 关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如RCD型 充放电型。 IGBT的应用指南 第 15 页共 19 页 图 7 三种放电阻止型吸收电路 从吸收过电压的能力来说，放电阻止型吸收效果稍差，但能量损耗较小。 对缓冲吸收电路的要求是： 1 ）尽量减小主电路的布线电感La； 2 ）吸收电容应采用低感吸收电容，

39、它的引线应尽量短，最好直接接在IGBT的端子 上； 3 ）吸收二极管应选用快开通和快软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引 起较大的振荡过电压。 10 IGBT的选用 在使用 IGBT 的场合，选择何种电压，电流规格的IGBT 模块，需要做周密的考虑。IGBT 在选用中应注意以下参数的选取： CE 间的工作电压的选取 为了避免 PN 结击穿，IGBT 的 DS间的电压决不能超过其最大允许额定电压值VCES。 IGBT 的电压规格应高于工作时的最大电压，并留有一定的降额余度，一般应选择工作时的最大电 压为 IGBT的 VCES的 80% 左右。参数VCES呈正温度特性。 GE 间工作电压的

40、选取 栅极电压受栅极氧化层的厚度和特性限制，电压高时极易击穿导致器件损坏。为了保证 可靠工作并且限制故障状态下的电流，栅极电压通常应限制在20V 以内。 但驱动电平Uge 也必须综合考虑。Uge 增大时， IGBT 通态压降和开通损耗均下降，但 负载短路时的Ic 增大， IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，一般选为12 15V。 工作电流IC的选取 IGBT的集电极电流增大时，VCE(-)上升，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大， 原件发热加剧。 因此，根据额定损耗，开关损耗所产生的热量，控制器件结温（Tj）在 150 oC以下（通 常为安全起见，以125 oC以下为宜），

41、请使用在这时（ 125 oC）的集电流以下为宜。特别是用 作高频开关时，由於开关损耗增大，发热也加剧，需十分注意。 一般来说，要将集电极工作电流的最大值应控制在集电极所允许的最大直流电流IC 以下使用。 参数 IC呈负温度特性。 集电极最大功耗PD IGBT的应用指南 第 16 页共 19 页 它是 IGBT 的集电极所能耗散的最大功率，它受IGBT 的最高允许结温、外壳温度、以 及结与外壳间的热阻的影响，它由下式计算： 在同样的条件下，给IGBT 加装散热器，减小外壳到外界环境的热阻，降低器件的外壳 温度，可以增大器件的允许耗散功率。 将上式变换后，得到：Tc=Tj(max)-Pd R jc

42、 在确定最高允许结温、最大耗散功率后，通过上式可以计算出外壳最高工作温度。 IGBT 的最高工作温度取决于IGBT 模块所允许的最高结温（Tj ）, 在该温度下，首先要 计算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选择散热片。 导通压降VCE(ON) 该参数直接影响IGBT 的集电极耗散功率，在相同的VCES、IC、PD应选择较低的VCE(ON), 以 减小器件的功耗。 最高工作频率 图 8 因 IGBT 存在输入电容（CIES=CGE+CGC）输出电容（COES=CCE+CGC）和弥勒电容（CRES=CGC） （如 上图 8 所示） ， 开通和关断时不再是理想状态，在开通时存在一个开通

43、延期时间td(on)和电流 上升时间tr，在关断时存在一个关断延期时间td(off)和电流下降时间tf，由于它们的存在， 使得 IGBT 的最高频率受到限制；另外IGBT在开关周期内频率要有5% 富余量的限制，所以 其最大开关频率为： tftrtd(off)td(on) 05.01 1 Ts fMAX (1) 另一方面， 因为存在开通损耗Eon、关断损耗Eoff 和导通损耗Pcond，由于器件最高温 度的限制，使得开关频率也受到限制。温度对开关频率的限制由下式确定： isstd EoffEon Pcond R TcTj Pdiss JC EoffEon Pcond R TcT t f JC J

44、 diss MAX 1 2 (2) 通过上面（ 1）和（ 2）式计算后， fmax1 和 fmax2 中较小的开关频率即为IGBT的允许 最高开关频率。 IGBT的应用指南 第 17 页共 19 页 11 IGBT的典型应用领域 交流发电机驱动的频率变换 直流伺服系统和机器人驱动 逆变器 直流断路器 电源开关模块 感应加热 UPS 不间断电源 电焊机 通用开关电源 12 IGBT使用时的注意事项 1） 防止静电对策 IGBT的 VGE的保证值为20V，在 IGBT 模块上加出了超出保证值的电压的场合，由於会 导致损坏的危险，因而在栅极- 发射极之间不能超出保证值的电压，这点请注意。 此外， 在

45、栅极 - 发射极间开路时，若在集电极 - 发射极间加上电压，则随著集电极电位的 变化，如下图所示，由于有电流（i ）流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时， 如果在集电极- 发射集间处于高电压状态时，有可能使蕊片发热及至损坏。 在使用装置的场合，如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时（珊极处於开路 状态），若在主回路上加上电压，则IGST 就会损坏，为防止这类损坏情况发生，应在栅极一 发射极之间接一只10KQ左左的电阻为宜。 此外，由於 IGBT模块为 MOS 结构，对於静电流就要十分注意。因此，请注意下面几点： 在使用模块时，手持分装件时，请勿触摸驱动端子部份。 在用导电材料连接

46、驱动端子的模块时，在配线未布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。 当必须要触摸模块端子时，应戴上防静电手环，或先将人体或衣服上的静电用大电 阻（ 1M 欧左右）接地进行放电後，再触摸。 在焊接作业时，焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生，为了防止静电的产 生，请先将焊机处於良好的接地状态下。 2） 散热设计 IGBT的最高工作温度取决于它所允许的最高结温（Tj） ，在该温度下，必须要做散热设 计。为了进行散热设计，首先要计算出器件产生的损耗，该损耗使结温升至允许值以下来选 择散热片。 当散热设计不充分场合，实际运行在中等水平时，也有可能超过器件允许温度而 IGBT的应

47、用指南 第 18 页共 19 页 导致器件损坏。 3） 并联问题 用于大容量逆变器等控制大电流场合使用IGBT 模块时，可以使用多个器件并联。 并联时，要使每个器件流过均等的电流是非常重要的，如果一旦电流平衡达到破坏，那 么电过于集中的那个器件将可能被损坏，进而导致整个系统损坏。 并联时每个IGBT 都应单独串联栅极电阻RG ，为使并联时电流能平衡，适当改变器 件的特性及接线方法。例如。挑选器件的VCE(sat)相同的并联是很重要的。 说明：在1/2 或 1/3 额定电流以下的区段，IGBT 的通态压降具有负的温度系数；在以 上的区段则具有正温度系数。 4） 安装时的注意事项 在实际安装IGB

48、T模块时，请特别注意如下几点： 安装散热片时，在模块里面涂以热复合材料，并充分固定牢。另外，冷却体原件安 装表面的加工方面，要保此粗糙度在10mm 以下，平面度在0-100mm以内。 在模块电极端子部份，接线时请勿加过大的应力。 13 IGBT 的主要供应商 IR 公司 有 IGBT 的分离器件和IGBT 模块，其命名方式如下。相关产品见下面的文件: IGBT 产 品-IR IXYS 公司 有 IGBT 的分离器件和IGBT 模块。 相关产品见下面的文件: IGBT 产品 1-IXYS IGBT 产品 2-IXYS IGBT 产品 3-IXYS IGBT 产品 4-IXYS 三菱公司 IGBT 模块。相关产品见下面的文件: IGBT 产品 -三菱 APT 有 IGBT 的分离器件和IGBT 模块，其命名方式如下： IGBT的应用指南 第 19 页共 19 页 相关产品见下面的文件: IGBT 产品 -1-APT、IGBT 产品 -2-APT 富士 IGBT 模块，相关产品见下面的文件: IGBT 产品 -富士 ST 公司 有 IGBT 的分离器件和IGBT 模块，相关产品见下面的文件: IGBT 产品 -ST SIEMENS 有 IGBT 的分离器件和IGBT 模块， 其命名方式如下。相关产品见下面的文件: IGBT 产 品-SIEMENS