絕緣柵雙極型晶體管的基礎(chǔ)知識(shí)及應(yīng)用

　　絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作是MOS輸入的達(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)簡單和快速的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn)，因而，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

　　在中大功率的開關(guān)電源裝置中，IGBT由于其控制驅(qū)動(dòng)電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn)，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關(guān)電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統(tǒng)的前級(jí)，由于受電網(wǎng)波動(dòng)、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大，故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時(shí)除了要作降額考慮外，對(duì)IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)也是電源設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　1 IGBT的工作原理

　　IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

　　由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：

　　——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;

　　——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;

　　——流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流;

　　——IGBT的結(jié)溫。

　　如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動(dòng)電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極－發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極－發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過集電極－發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能會(huì)永久性損壞。

　　絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作是MOS輸入的達(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)簡單和快速的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn)，因而，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

　　在中大功率的開關(guān)電源裝置中，IGBT由于其控制驅(qū)動(dòng)電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn)，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關(guān)電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統(tǒng)的前級(jí)，由于受電網(wǎng)波動(dòng)、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大，故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時(shí)除了要作降額考慮外，對(duì)IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)也是電源設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)環(huán)節(jié)。

　　1 IGBT的工作原理

　　IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

　　由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：

　　——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;

　　——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;

　　——流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流;

　　——IGBT的結(jié)溫。

　　如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動(dòng)電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極－發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極－發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過集電極－發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能會(huì)永久性損壞。

　　2 保護(hù)措施

　　在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)影響IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

　　2．1 IGBT柵極的保護(hù)

　　IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓VGE的保證值為±20V，如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓，則可能會(huì)損壞IGBT，因此，在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵壓限幅電路。另外，若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路，而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極－發(fā)射極有電流流過。這時(shí)若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在運(yùn)輸或振動(dòng)過程中使得柵極回路斷開，在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會(huì)損壞。為防止此類情況發(fā)生，應(yīng)在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十kΩ的電阻，此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極。如圖2所示。

　　由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復(fù)合體，特別是其柵極為MOS結(jié)構(gòu)，因此除了上述應(yīng)有的保護(hù)之外，就像其他MOS結(jié)構(gòu)器件一樣，IGBT對(duì)于靜電壓也是十分敏感的，故而對(duì)IGBT進(jìn)行裝配焊接作業(yè)時(shí)也必須注意以下事項(xiàng)：

　　——在需要用手接觸IGBT前，應(yīng)先將人體上的靜電放電后再進(jìn)行操作，并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動(dòng)端子部分，必須接觸時(shí)要保證此時(shí)人體上所帶的靜電已全部放掉;

　　——在焊接作業(yè)時(shí)，為了防止靜電可能損壞IGBT，焊機(jī)一定要可靠地接地。

　　2．2 集電極與發(fā)射極間的過壓保護(hù)

　　過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況，一種是施加到IGBT集電極－發(fā)射極間的直流電壓過高，另一種為集電極－發(fā)射極上的浪涌電壓過高。

　　2.2.1 直流過電壓

　　直流過壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級(jí)輸入發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時(shí)，進(jìn)行降額設(shè)計(jì);另外，可在檢測出這一過壓時(shí)分?jǐn)郔GBT的輸入，保證IGBT的安全。

　　2.2.2 浪涌電壓的保護(hù)

　　因?yàn)殡娐分蟹植茧姼械拇嬖冢又甀GBT的開關(guān)速度較高，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt，威脅IGBT的安全。

　　通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示。

　　圖中：vCE為IGBT？電極－發(fā)射極間的電壓波形;

　　ic為IGBT的集電極電流;

　　Ud為輸入IGBT的直流電壓;

　　VCESP=Ud＋Ldic/dt，為浪涌電壓峰值。

　　如果VCESP超出IGBT的集電極－發(fā)射極間耐壓值VCES，就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：

　　——在選取IGBT時(shí)考慮設(shè)計(jì)裕量;

　　——在電路設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整IGBT驅(qū)動(dòng)電路的Rg，使di/dt盡可能小;

　　——盡量將電解電容靠近IGBT安裝，以減小分布電感;

　　——根據(jù)情況加裝緩沖保護(hù)電路，旁路高頻浪涌電壓。

　　由于緩沖保護(hù)電路對(duì)IGBT的安全工作起著很重要的作用，在此將緩沖保護(hù)電路的類型和特點(diǎn)作一介紹。

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　　—C緩沖電路如圖4（a）所示，采用薄膜電容，靠近IGBT安裝，其特點(diǎn)是電路簡單，其缺點(diǎn)是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成LC諧振電路，易產(chǎn)生電壓振蕩，而且IGBT開通時(shí)集電極電流較大。

　　——RC緩沖電路如圖4（b）所示，其特點(diǎn)是適合于斬波電路，但在使用大容量IGBT時(shí)，必須使緩沖電阻值增大，否則，開通時(shí)集電極電流過大，使IGBT功能受到一定限制。

　　——RCD緩沖電路如圖4（c）所示，與RC緩沖電路相比其特點(diǎn)是，增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大，避開了開通時(shí)IGBT功能受阻的問題。

　　該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗為

　　P=LI2f＋CUd2f式中：L為主電路中的分布電感;

　　I為IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流;

　　f為IGBT的開關(guān)頻率;

　　C為緩沖電容;

　　Ud為直流電壓值。

　　——放電阻止型緩沖電路如圖4（d）所示，與RCD緩沖電路相比其特點(diǎn)是，產(chǎn)生的損耗小，適合于高頻開關(guān)。

　　在該緩沖電路中緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗為

　　P=1/2LI2f+1/2CUf

　　根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)木彌_保護(hù)電路，抑制關(guān)斷浪涌電壓。在進(jìn)行裝配時(shí)，要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感，接線越短越粗越好。

　　2．3 集電極電流過流保護(hù)

　　對(duì)IGBT的過流保護(hù)，主要有3種方法。

　　2.3.1 用電阻或電流互感器檢測過流進(jìn)行保護(hù)

　　如圖5（a）及圖5（b）所示，可以用電阻或電流互感器與IGBT串聯(lián)，檢測流過IGBT集電極的電流。當(dāng)有過流情況發(fā)生時(shí)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷開IGBT的輸入，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

　　2.3.2 由IGBT的VCE（sat）檢測過流進(jìn)行保護(hù)

　　如圖5（c）所示，因VCE（sat）=IcRCE（sat），當(dāng)Ic增大時(shí)，VCE（sat）也隨之增大，若柵極電壓為高電平，而VCE為高，則此時(shí)就有過流情況發(fā)生，此時(shí)與門輸出高電平，將過流信號(hào)輸出，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷開IGBT的輸入，保護(hù)IGBT。

　　2.3.3 檢測負(fù)載電流進(jìn)行保護(hù)

　　此方法與圖5（a）中的檢測方法基本相同，但圖5（a）屬直接法，此屬間接法，如圖5（d）所示。若負(fù)載短路或負(fù)載電流加大時(shí)，也可能使前級(jí)的IGBT的集電極電流增大，導(dǎo)致IGBT損壞。由負(fù)載處（或IGBT的后一級(jí)電路）檢測到異常后，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)切斷IGBT的輸入，達(dá)到保護(hù)的目的。

　　2．4 過熱保護(hù)

　　一般情況下流過IGBT的電流較大，開關(guān)頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時(shí)散掉，使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax，則IGBT可能損壞。

　　IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)動(dòng)耗，其動(dòng)態(tài)功耗又包括開通功耗和關(guān)斷功耗。在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要保證其在正常工作時(shí)能夠充分散熱，而且還要保證其在發(fā)生短時(shí)過載時(shí)，IGBT的結(jié)溫也不超過Tjmax。

　　當(dāng)然，受設(shè)備的體積和重量等的限制以及性價(jià)比的考慮，散熱系統(tǒng)也不可能無限制地?cái)U(kuò)大?？稍诳拷麵GBT處加裝一溫度繼電器等，檢測IGBT的工作溫度?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)生異常時(shí)切斷IGBT的輸入，保護(hù)其安全。

　　除此之外，將IGBT往散熱器上安裝固定時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

　　——由于熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同，因此，若在散熱器上僅安裝一個(gè)IGBT時(shí)，應(yīng)將其安裝在正中間，以便使得熱阻最小;當(dāng)要安裝幾個(gè)IGBT時(shí)，應(yīng)根據(jù)每個(gè)IGBT的發(fā)熱情況留出相應(yīng)的空間;

　　——使用帶紋路的散熱器時(shí)，應(yīng)將IGBT較寬的方向順著散熱器的紋路，以減少散熱器的變形;

　　——散熱器的安裝表面光潔度應(yīng)≤10μm，如果散熱器的表面不平，將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻，甚至在IGBT的管芯和管殼之間的襯底上產(chǎn)生很大的張力，損壞IGBT的絕緣層;

　　——為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導(dǎo)熱硅脂。

　　3 結(jié)語

　　在應(yīng)用IGBT時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的保護(hù)措施。只要在過壓、過流、過熱等幾個(gè)方面都采取有效的保護(hù)措施后，在實(shí)際應(yīng)用中均能夠取得良好的效果，保證IGBT安全可靠地工作。