一．IGBT的結(jié)構(gòu)和基本工作原理

絕緣門(mén)極晶體管IGBT也稱(chēng)絕緣柵極雙極型晶體管,，是一種新發(fā)展起來(lái)的復(fù)合型電力電子器件,。

由于它結(jié)合了MOSFET和GTR的特點(diǎn)，既具有輸入阻抗高,、速度快,、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又具有輸入通態(tài)電壓低,，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn),，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī),，中頻和開(kāi)關(guān)電源以及要求快速,、低損耗的領(lǐng)域，IGBT有著主導(dǎo)地位,。

1.  IGBT的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1）基本結(jié)構(gòu)

IGBT也是三端器件,，三個(gè)極為漏極（D）、柵極（G）和源極（S）,。

（a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）簡(jiǎn)化等效電路（c）電氣圖形符號(hào)

2）工作原理

IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同,，它是一種壓控型器件。

開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的,，當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE（th）時(shí),，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通,。

當(dāng)柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時(shí),，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管無(wú)基極電流,，IGBT關(guān)斷,。

2.IGBT的基本特性與主要參數(shù)

IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

（a)  轉(zhuǎn)移特性  （b)  輸出特性

1）IGBT的基本特性

① 靜態(tài)特性

IGBT的轉(zhuǎn)移特性,，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似,。

開(kāi)啟電壓UGE（th）是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的低柵射電壓,。

UGE（th）隨溫度升高而略有下降，溫度升高1oC,，其值下降5mV左右,。在+25oC時(shí)，UGE（th）的值一般為2~6V,。

IGBT的輸出特性,，也稱(chēng)伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí),，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系,。

IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程

2）主要參數(shù)

①集電極—發(fā)射極額定電壓UCES

②柵極—發(fā)射極額定電壓UGES

③額定集電極電流IC 

3.IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)

從IGBT的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，IGBT電流可能發(fā)生失控的現(xiàn)象,，就像普通晶閘管被觸發(fā)以后,，即使撤消觸發(fā)信號(hào)晶閘管仍然因進(jìn)入正反饋過(guò)程而維持導(dǎo)通的機(jī)理一樣，因此被稱(chēng)為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng),。

引發(fā)擎住效應(yīng)的原因,，可能是集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)）,，溫度升高也會(huì)加重發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn),。

動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的,。

根據(jù)最大集電極電流,、最大集電極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍；根據(jù)最大集電極電流,、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率可以確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍,，即反向偏置安全工作電壓（RBSOA）

（1)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求

①I(mǎi)GBT是電壓驅(qū)動(dòng)的，具有一個(gè)2.5~5.0V的閥值電壓,，有一個(gè)容性輸入阻抗,，因此IGBT對(duì)柵極電荷非常敏感，故驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠,，保證有一條低阻抗值的放電回路,，即驅(qū)動(dòng)電路與IGBT的連線要盡量短。

②用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)源對(duì)柵極電容充放電,，以保證柵極控制電壓UCE有足夠陡的前后沿,，使IGBT的開(kāi)關(guān)損耗盡量小。另外,，IGBT開(kāi)通后,，柵極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)能提供足夠的功率,，使IGBT不退出飽和而損壞。

③驅(qū)動(dòng)電路中的正偏壓應(yīng)為+12~+15V,，負(fù)偏壓應(yīng)為-2~-10V,。

④IGBT多用于高壓場(chǎng)合，故驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離,。

⑤驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單實(shí)用,，具有對(duì)IGBT的自保護(hù)功能，并有較強(qiáng)的抗干擾能力,。

⑥若為大電感負(fù)載,，IGBT的關(guān)斷時(shí)間不宜過(guò)短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓,，保證IGBT的安全,。

（2)驅(qū)動(dòng)電路

因?yàn)镮GBT的輸入特性幾乎與MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于IGBT,。

在用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的逆變器電路中,，為使IGBT能夠穩(wěn)定工作,，要求IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用正負(fù)偏壓雙電源的工作方式,。

為了使驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)電隔離，應(yīng)采用抗噪聲能力強(qiáng),，信號(hào)傳輸時(shí)間端的光耦合器件,。

基極和發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短，基極驅(qū)動(dòng)電路的輸入線應(yīng)為絞合線

為抑制輸入信號(hào)的振蕩現(xiàn)象,，基極和發(fā)射極并聯(lián)一阻尼網(wǎng)絡(luò),。

驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)采用互補(bǔ)電路的形式以降低驅(qū)動(dòng)源的內(nèi)阻，同時(shí)加速I(mǎi)GBT的關(guān)斷過(guò)程,。

IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路

（a）阻尼濾波                  （b) 光電隔離

（3)集成化驅(qū)動(dòng)電路

IGBT有與其配套的集成驅(qū)動(dòng)電路,。

這些專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力強(qiáng)，集成化程度高,，速度快,，保護(hù)功能完善，可實(shí)現(xiàn)IGBT的優(yōu)驅(qū)動(dòng),。

因?yàn)镮GBT保護(hù)主要是柵源過(guò)電壓保護(hù),、靜電保護(hù)、采用R-C-VD緩沖電路等等,。

在IGBT電控系統(tǒng)中設(shè)置過(guò)壓,、欠壓、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)單元,，以保證安全可靠工作,。

必須保證IGBT不發(fā)生擎住效應(yīng),；具體做法是，實(shí)際中IGBT使用的最大電流不超過(guò)其額定電流,。

1）緩沖電路

幾種用于IGBT橋臂的典型緩沖電路,。

         （a)        （ b)        （c)

a)圖是簡(jiǎn)單的單電容電路，適用于50A以下的小容量IGBT模塊,，由于電路無(wú)阻尼組件,，易產(chǎn)生LC振蕩，故應(yīng)選擇無(wú)感電容或串入阻尼電阻RS,；

b)圖是將RCD緩沖電路用于雙橋臂的IGBT模塊上,，適用于200A以下的中等容量IGBT；

c)圖中,，將兩個(gè)RCD緩沖電路分別用在兩個(gè)橋臂上,，該電路將電容上過(guò)沖的能量部分送回電源，因此損耗較小,，廣泛應(yīng)用于200A以上的大容量IGBT,。

（2）IGBT的保護(hù)

過(guò)電流保護(hù)措施主要是檢測(cè)出過(guò)電流信號(hào)后迅速切斷柵極控制信號(hào)來(lái)關(guān)斷IGBT。

實(shí)際使用中,，要求在檢測(cè)到過(guò)電流后,，通過(guò)控制電路產(chǎn)生負(fù)的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)關(guān)斷IGBT。只要IGBT的額定參數(shù)選擇合理,，10內(nèi)的過(guò)電流一般不會(huì)使之損壞,。

采用集電極電壓識(shí)別方法的過(guò)流保護(hù)電路。

為了避免IGBT過(guò)電流的時(shí)間超過(guò)允許的短路過(guò)電流時(shí)間,，保護(hù)電路應(yīng)當(dāng)采用快速光耦合器等快速傳送組件及電路,。

檢測(cè)發(fā)射極電流過(guò)流的保護(hù)電路。