IGBT特性研究及驱动、缓冲电路设计.doc

1、武汉理工大学本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名 专业班级 自动化 指导教师 工作单位 自动化学院 设计(论文)题目: IGBT 特性研究及驱动、缓冲电路设计 设计（论文）主要内容：了解和熟悉目前国内外 IGBT 产品现状和技术现状，分析 IGBT 结构、工作原理以及工作特性。研究和设计多种 IGBT 驱动电路、保护电路，并对比分析。针对具体一款 IGBT FF600R06ME3 设计其驱动电路及缓冲电路。 要求完成的主要任务:1了解研究 IGBT 的目的以及意义，产品和技术的发展现状；2IGBT 驱动电路的设计；3IGBT 保护、缓冲电路的设计；4. 针对 FF600R06ME3 IGBT

2、设计其驱动电路，要求正向开通电压 15V，反向截止电压-15V，工作频率20K，可驱动 IGBT 承受导通电流 600A，耐压 600V。5撰写毕业设计论文，字数不低于 15000 左右；6完成外文文献翻译 2 万字符（其中汉字 5000 字） 。必读参考资料：1 王兆安.电力电子技术m.北京:机械工业出版社,2008. 2 周志敏.IGBT 和 IPM 及其应用电路m.北京:人民邮电出版社,2006.3 王飞军.IGBT 关断特性分析及设计优化问题D.浙江大学微电子与半导体系,1990.4 陈去非.绝缘栅双极晶体管（IGBT）的研究静态、动态和终端模型及优化设计D.浙江大学:电力电子技术,1

3、993.5 李岳生.IGBT 开关磁阻电动机调速系统研究D.上海工业大学:工业自动化,1994. 指导教师签名： 系主任签名： 院长签名(章) ： 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）国内外的研究现状分析IGBT 广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS 及逆变焊机当中。而 IGBT 的驱动和保护是其应用中的关键技术。IGBT 在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动 IGBT 工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。在使用 IGBT 构

4、成的各种主回路之中，大功率 IGBT 驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口)作用。为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了一些优秀的驱动集成电路，如IR2110。当需要驱动器的输入端与输出端电气隔离时，一般有两种途径：采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。光电耦合器的优点是体积小巧,缺点是：A.反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于 500ns)；B.光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。无源方法就是用变压器

5、次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单，也不需要单独的驱动电源，但由于绝缘栅功率器件的栅源电容 Cgs 一般较大，因而栅源间的波形 Vgs 将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积。有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。自给电源方法的已有技术是对 PWM 驱动信号进行高频(1MHz 以上)调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原PWM 调制信号则需经过解调取得，显

6、然，这种方法并不简单, 价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限制。电力电子器件的缓冲电路又称吸收电路，它是电力电子器件的一种重要的保护电路，不仅用于半控型器件的保护，而且在全控型器件（如 GTR、GTO、功率 MOSFET 和 IGBT 等）的应用技术中起着重要的作用。晶闸管开通时，为了防止过大的电流上升率而烧坏器件，往往在主电路中串入一个扼流电感，以限制过大的 di/dt，串联电感及其配件组成了开通缓冲电路，或称串联缓冲电路。晶闸管关断时，电源电压突加在管子上，为了抑制瞬时过电压和过大的电压上升率，以防止晶闸管内部流过过大的结电容电流而误触发，需要在晶闸管的两端并联一个 RC 网

7、络，构成关断缓冲电路，或称并联缓冲电路。本文研究的目的及意义电力电子技术在当今急需节能降耗的工业领域里起到了不可替代的作用；而 IGBT 在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动IGBT 工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。在使用 IGBT 构成的各种主回路之中，大功率 IGBT 驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口)作用。因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对独立的“子系统”来研究、开发及设计。大功率 IGBT 驱动保护电路一直伴随 IGBT 技术的发展而发展，现在市场上流行着

8、很多种类非常成熟的大功率 IGBT 驱动保护电路专用产品，成为大多数设计工程师的首选；也有许多的工程师根据其电路的特殊要求，自行研制出各种专用的大功率 IGBT。驱动保护电路而 IGBT 行业中的高端技术重点在于怎样驱动以及保护 IGBT 正常工作。本文从了解 IGBT 结构、工作原理、工作特性着手，研究了 IGBT 驱动和保护电路的设计和要求，解决了 IGBT 驱动和保护电路的选择及设计问题。2、基本内容和技术方案基本内容：查阅文献资料，在了解和熟悉目前国内外 IGBT 产品现状和技术现状的基础上，完成毕业设计相关的外文翻译 2 万字符（其中汉字 5000 字）。然后从了解 IGBT 结构、

9、工作原理，以及 IGBT 的工作特性，包括静态特性和动态特性，以及研究 IGBT 的意义着手，研究了驱动电路和保护电路的了解及设计，包括驱动电路的选择、要求、分类，保护电路的分类及作用以及几种典型的驱动电路、常用的保护电路的介绍。针对 FF600R06ME3 这款 IGBT 设计其驱动电路。在此基础上完成字数不少于 1.5 万字的毕业设计论文。技术方案：一、了解 IGBT，以及研究 IGBT 的意义，产品发展现状，技术现状，分析出 IGBT 的技术走向。二、了解 IGBT 的结构、工作原理以及工作特性。了解 IGBT 的工作特性才能更好的设计驱动、保护电路。三、驱动电路、保护电路的了解及设计，

10、典型的驱动、保护电路介绍。四、针对FF600R06ME3 这款 IGBT 设计驱动电路，所设计的电路满足驱动这款 IGBT的要求。3、进度安排第 12 周： 毕业实习，撰写毕业实习报告；第 34 周： 翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告；第 5 周： 确定最终方案，并进行可行性分析；第 68 周： 硬件电路设计及仿真；第 9 周： 中期检查；第 1011 周： 综合调试，根据结果完善系统；第 1214 周： 完成论文撰写；第 15 周： 论文答辩；第 16 周： 论文装订。4、指导教师意见同学调研比较充分，研究内容充实，技术方案明确可行，现已经具备开始毕业设计的条件。该生按计划能达到预期

11、的目标，同意进入设计阶段。指导教师签名： 年 月 日目录武汉理工大学毕业设计（论文）摘要 .1Abstract21 绪论 .11.1 引言 .11.2 课题研究意义 .21.3 研究现状 .31.3.1 产品现状 31.3.2 技术现状 41.4 主要研究内容 .52 IGBT 工作原理及特性研究 62.1 IGBT 的定义 .62.2 IGBT 的结构和工作原理 .72.2.1 IGBT 的结构 .72.2.2 IGBT 的工作原理 .72.3 IGBT 工作特性 .92.3.1 静态特性 92.3.2 动态特性 92.3.3 IGBT 的开通与关断 .103 IGBT 驱动及缓冲 123.

12、1 IGBT 驱动电路的选择 .123.2 门极驱动的要求及电路设计 .143.2.1 栅极驱动电压 143.2.2 对电源的要求 143.2.3 对驱动波形的要求 143.2.4 对驱动功率的要求 153.2.5 栅极电阻 153.2.6 栅极布线要求 153.2.7 隔离问题 153.3 典型的门极驱动电路介绍 .163.3.1 脉冲变压器驱动电路 163.3.2 光耦隔离驱动电路 173.3.3 驱动模块构成的驱动电路 173.4 大功率 IGBT 驱动保护电路的分类 .18武汉理工大学毕业设计（论文）3.4.1 单一功能型 183.4.2 多功能型 193.4.3 全功能型 213.5

13、 大功率 IGBT 驱动保护电路的功能 .223.5.1 隔离功能 223.5.2 死区隔离功能 233.5.3 驱动功率的缓冲功能 233.6 针对 FF600R06ME3 这款 IGBT 设计的驱动电路 244 IGBT 保护电路的设计 264.1 IGBT 栅极的保护 .264.2 集电极与发射极间的过压保护 .264.2.1 直流过电压 264.2.2 浪涌电压的保护 274.3 集电极电流过流保护 .284.4 过热保护 .29全文总结及展望 .30致谢 .31参考文献 .32摘要全文首先对 IGBT 的产生和发展过程做了一个大致的介绍，重点突出了 IGBT 发展的路线，智能化、模块

14、化成为 IGBT 发展热点。然后介绍了 IGBT 的结构、工作原理以及工作特性。只有充分了解了 IGBT 的工作特性，才能更好的设计驱动电路和缓冲电路。在文武汉理工大学毕业设计（论文）2章的第三章介绍了 IGBT 的驱动电路的选择、门极驱动的要求，并且列举目前比较典型的集中 IGBT 驱动电路进行对比分析。本论文第四章对保护电路的着手点、常用的保护电路种类、电路的设计以及性能对比。全文的重点在于 IGBT 的驱动问题，因为在现今这个社会，能很好的驱动一款 IGBT 有着重要的意义，能达到节能的目的，适应社会的主题。本论文在研究了 IGBT 的驱动之后，主要针对 FF600R06ME3 这款 I

15、GBT 设计了它的驱动电路。更加具体的研究了怎样选择一款 IGBT 的驱动器。关键字：IGBT；驱动；保护AbstractFull of IGBT first and the development process of a general introduction, focus on the development of intelligent route, IGBT module, IGBT development becomes hot. Then this paper introduces the structure, working principle of IGBT and wor

16、k. Only a thorough 武汉理工大学毕业设计（论文）3understanding of the working characteristics of IGBT driving circuit can better design and buffer circuit. In the third chapter of IGBT driving circuit of choice, the drivers request, and lists the relatively typical concentration IGBT drive circuit are compared and

17、 analyzed. This dissertation chapter to protect circuit of the common points、the protection circuit design and type、circuit performance. The key lies in the text, because the driver IGBT in todays society, can be a very good driver a IGBT has the important meaning, can achieve the purpose of energy-

18、saving, adapt societys theme.This paper studies the IGBT drive in after FF600R06ME3, mainly for the design of IGBT driving circuit .This paper the more specific research how to choose one IGBT driver.Key words: IGBT；drive ；protection1 绪论1.1 引言近年来，随着我国经济的持续快速发展，能源消耗日趋紧张，节约能源是我国的基本国策。据报道，全球的电能消耗 50%来自

19、电动机。当前，在电动机驱动系统中，已经从强电控制进入弱电控制的节能时代。它是机械自动化、控制智能化的关键部件，是节约电能的新型半导体器件。因此，大力发展新型电力电子器件的设计制造以及模块的开武汉理工大学毕业设计（论文）2发和应用是节约能源的重要措施。IGBT（Insulate Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极晶体管作为新型电力电子器件的代表，是整机系统提高性能指标和节能指标的首选产品。它集高频率、高电压、大电流等优点于一身，是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品。IGBT 主要用于逆变器、低噪音电源、UPS 不间断电源以及电动机变频调速等领域。IGBT

20、 的用途非常广泛，小到变频空调、静音冰箱、洗衣机、电磁炉、微波炉等家用电器，大到电力机车牵引系统都离不开它。IGBT 在军事机载、舰载、雷达等随机系统中也有广泛的用途。与国外相比，IGBT 的制造工艺技术至少落后十年，IGBT 的国产化形势相当紧迫。因此，开展 IGBT 的研发工作对我国国民经济和国防工业的发展具有十分重要的意义。1979 年，MOS 栅功率开关器件作为 IGBT 概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N 四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了 V 形槽栅。80 年代初期，用于功率 MOSFET 制造技术的 DMOS（双扩散形成的金属

21、-氧化物-半导体）工艺被采用到 IGBT 中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的 NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用 PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的 缓冲层而n进展的。几年当中，这种在采用 PT 设计的外延片上制备的 DMOS 平面栅结构，其设计规则从 5 微米先进到 3 微米。90 年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的 IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更

22、重要的改进。硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到改善。这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制，从而致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是不对少子寿命进行杀伤的同时有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT ）或“电场截止” （FS）型技术，这使得成本和性能

23、的综合效果得到进一步改善。1996 年，CSTBT （载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第 5 代 IGBT 模块得以实现，它采用了弱穿通（LPT）芯片结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的 IGBT 器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化 1。IGBT 功率模块采用 IC 驱动，各种驱动保护电路，高性能 IGBT 芯片，新型封装技术，武汉理工大学毕业设计（论文）3从复合功率模块 PIM 发展到智能功率模块 IPM、电力电子积木 PEBB、电力模块IPEM。PIM 向高压大电流发展，其产品水平为 1200A/18

24、00V 到 1800A/3300V，IPM 除用于变频调速外，600A/2000V 的 IPM 已用于电力机车 VVVF 逆变器。平面低电感封装技术是大电流 IGBT 模块为有源器件的 PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM 采用共烧瓷片多芯片模块技术组装 PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代 IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT 发展热点。现在，大电流高电压的 IGBT 已模块化，它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外，现在已制造出集成化的 IGBT 专用驱动电路。其性能更好，整机的可靠性更高及体积更小。1.2

25、课题研究意义电力电子技术在当今急需节能降耗的工业领域里起到了不可替代的作用；而 IGBT 在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动 IGBT 工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。在使用 IGBT 构成的各种主回路之中，大功率 IGBT 驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面(接口 )作用。因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对独立的“子系统”来研究、开发及设计。大功率 IGBT 驱动保护电路一直伴随 IGBT 技术的发展而发展，现在市场上流行着很多种类非常成熟的大功率 IGBT 驱动保护

26、电路专用产品，成为大多数设计工程师的首选；也有许多的工程师根据其电路的特殊要求，自行研制出各种专用的大功率 IGBT。驱动保护电路而 IGBT 行业中的高端技术重点在于怎样驱动以及保护 IGBT 正常工作。本文正是针对 FF600R06ME3 这款 IGBT 的驱动电路的设计来了解 IGBT 的特性以及 IGBT 的选择，驱动和保护的问题。1.3 研究现状1.3.1 产品现状当前市场上的成品驱动器,按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分，可分为直接驱动和隔离驱动两种，其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。1）不隔离的直接驱动器在 Boost、全波、正激或反激等电路中，功率开

27、关管的源极位于输入电源的下轨，PWM IC 输出的驱动信号一般不必与开关管隔离，可以直接驱动。如果需要较大的驱动能力，可以加接一级放大器或是串上一个成品驱动器。直接驱动的成品驱动器一般都采用武汉理工大学毕业设计（论文）4薄膜工艺制成 IC 电路，调节电阻和较大的电容由外引脚接入。目前的成品驱动器种类不少，如 TI 公司的 UCC37XXX 系列，TOSIBA 公司的TPS28XX 系列， 0nsemi 公司的 MC3315X 系列，SHARP 公司的 PC9XX 系列，IR 公司的IR21XX 系列，等等，种类繁多。2)光电耦合器的隔离驱动器隔离驱动产品绝大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动

28、信号和被驱动的绝缘栅器件，采用厚膜工艺制成 HIC 电路，部分阻容元件也由引脚接入。 目前市售的光电耦合型驱动器产品，主要有 FUJI 公司的 EXB8XX 系列、MITSUBISHI 公司的 M579XX 系列、英达公司的 HR065 和西安爱帕克电力电子有限公司的 HL402B 等，以及北京落木源电子技术有限公司的 TX-KA 系列。TX-KA 系列驱动器保护功能完善、工作频率高、价格便宜，并能与多种其它类型的驱动器兼容。此类产品，由于光电耦合器的速度限制，一般工作频率都在 50KHz 以下(TX-KA101可达 80K)。它们的优点是大部分具有过流保护功能，其过电流信号是从 IGBT 的

29、管压降中取得的；共同的缺点是需要一个或两个独立的辅助电源，因而使用较为麻烦。由于成本问题，该类产品价格稍高，因此只适用于在大功率电源中驱动 IGBT 模块，在中小功率领域难以推广使用。3）变压器隔离、一路电源输入，自带 DC/DC 辅助电源的驱动器 目前有 CONCEPT 公司的 2SD315A 和 SEMIKRON 公司的 SKHI22 等，使用两个脉冲变压器传递半桥驱动信号，需要一路电源输入，自带一个 DC/DC 电源提供驱动所需的两个辅助电源。输出的驱动信号质量不错，驱动能力也很强，但由于结构复杂，因而体积较大，价格不菲，只适用于特大功率电源中。上述两种驱动板的信号传递采用的是调制技术。

30、 北京落木源公司也开发了一款变压器隔离的驱动器，型号为 KB101，可以工作在较高的频率上，但是需要用户提供辅助电源。 4)变压器隔离、调制式自给电源驱动器 调制式自给电源驱动器，采用变压器进行电气隔离，通过载频传递驱动所需要的能量，通过调制信号传递 PWM 信息，因此可以通过 0100占空比的 PWM 信号。目前的许多驱动板产品都采用这种技术，如西门康的 SKHI27 等。 单片式的调制驱动器，目前国外还未见有产品出售。但有一种 2 片组合式的，如UNITRODE 公司的 UC3724/25 集成电路对，其中 3724 与驱动源相连，3725 与被驱动的绝缘栅器件相连，3724 与 3725

31、 之间由用户接入一个脉冲变压器，在 UC3724 中将 PWM信号调制到约MHz 的载波上，送到隔离脉冲变压器的初级，次级输出信号在 UC3725中通过直接整流得到自给电源，通过解调取得原 PWM 信号。 国内的单片式调制驱动器，有北京落木源的 TX-KE 系列驱动器。调制驱动器，除无需用户提供辅助电源外，还具有隔离电压高的特点，但是价格较高。 武汉理工大学毕业设计（论文）55）变压器隔离、分时式自给电源驱动器 分时式自给电源驱动器产品的优点是：价格便宜，大中小功率的电源都可应用；驱动器自身不需要单独的供电电源，简化了电路；输出驱动脉冲的延迟很少，上升和下降沿也相当陡峭；工作频率较高，并且可在

32、占空比 5-95%的范围内工作。 分时式自给电源驱动器的缺点是当工作频率较低时变压器的体积较大，厚膜化困难，由于自给电源提供的能量有限、难以驱动 300A/1200V 以上的 IGBT2。 1.3.2 技术现状开关电源中大功率器件驱动电路的设计一向是电源领域的关键技术之一。普通大功率三极管和绝缘栅功率器件(包括 VMOS 场效应管和 IGBT 绝缘栅双极性大功率管等)，由于器件结构的不同，具体的驱动要求和技术也大不相同。前者属于电流控制器件，要求合适的电流波形来驱动；后者属于电场控制器件，要求一定的电压来驱动。本文只介绍后者的情况。 VMOS 场效应管 (以及 IGBT 绝缘栅双极性大功率管等

33、器件)的源极和栅极之间是绝缘的二氧化硅结构，直流电不能通过，因而低频的静态驱动功率接近于零。但是栅极和源极之间构成了一个栅极电容 ，因而在高频率的交替开通和关断时需要一定的动态驱动gsC功率。小功率 VMOS 管的 一般在 10-100pF 之内，对于大功率的绝缘栅功率器件，由gs于栅极电容 较大，在 1-100nF，甚至更大，因而需要较大的动态驱动功率。更由于漏gs极到栅极的密勒电容 ，栅极驱动功率是不可忽视的。 dgC为可靠驱动绝缘栅器件，目前已有很多成熟电路。当驱动信号与功率器件不需要隔离时，驱动电路的设计是比较简单的，目前也有了一些优秀的驱动集成电路，如IR2110。当需要驱动器的输入

34、端与输出端电气隔离时，一般有两种途径：采用光电耦合器，或是利用脉冲变压器来提供电气隔离。 光电耦合器的优点是体积小巧，缺点是：A、反应较慢，因而具有较大的延迟时间(高速型光耦一般也大于 500ns)；B、光电耦合器的输出级需要隔离的辅助电源供电。 用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有三种方法：无源、有源和自给电源驱动。 无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单，也不需要单独的驱动电源，但由于绝缘栅功率器件的栅源电容 一般较大，因而栅源间的波形gsC将有明显变形，除非将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器gsV也应取较大体积。 武汉理工大学毕业设计（论文

35、）6有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，当然驱动波形好，但是需要另外提供隔离的辅助电源供给放大器。而辅助电源如果处理不当，可能会引进寄生的干扰。 自给电源方法的已有技术是对 PWM 驱动信号进行高频 (1MHz 以上)调制，该信号加在隔离脉冲变压器的初级，在次级通过直接整流得到自给电源，而原 PWM 调制信号则需经过解调取得，显然，这种方法并不简单, 价格当然也较高。调制的优点是可以传递的占空比不受限制。 分时式自给电源是北京落木源公司的创新技术，其特点是变压器在输入 PWM 信号的上升和下降沿只传递 PWM 信息，在输入信号的平顶阶段传递驱动所需要

36、的能量，因而波形失真很小。这种技术的缺点是占空比一般只能达到 595。1.4 主要研究内容本文旨在研究 IGBT 工作特性，以及驱动和缓冲电路的设计，并针对 FF600R06ME3这款 IGBT 设计一种驱动电路以及缓冲电路。本文研究内容如下：（1）了解 IGBT，以及研究 IGBT 的意义，产品发展现状，技术现状。在这个节能时代，IGBT 的节能优点越来越被人重视。通过 IGBT 的发展过程，我们能知道 IGBT 未来的技术走向，以及目前能做出的最高端的产品的参数，以寻求突破。（2）了解 IGBT 的结构、工作原理以及工作特性。P-N-P-N 四层结构使得 IGBT 的导通能力得到增强。从

37、IGBT 的静态特性到动态特性，能方便我们更好的设计驱动和缓冲电路。（3）驱动电路、保护电路的了解及设计。包括驱动电路的选择、要求，保护电路的着手点和常用的保护电路。能很好的驱动一款 IGBT 的驱动器技能达到驱动的作用，又能起到缓冲的作用。并对 FF600R06ME3 这款 IGBT 设计其驱动电路。2 IGBT 工作原理及特性研究2.1 IGBT 的定义IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，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 GT

38、R 的低导通压降两方面的优点。GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。图 2-1 所示为一个 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， 区称为源区，附于其上N的电极称为源极。 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。沟武汉理工大学毕业设计（论文）7道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的 P 型区（包括 和 P 区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道

39、区（Sub channel region）。而在漏区另一侧的 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。 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，切断基极电流，使 IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同，只需控制输入极 沟道 MOSFET，所以具有高输入阻N抗特性。当 MOSFET 的沟道形成后，从 基极

40、注入到 层的空穴（少子），对 层PN进行电导调制，减小 层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。N图 2-1 N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构2.2 IGBT 的结构和工作原理2.2.1 IGBT 的结构图 2-2 IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号a）内部结构端面示意图 b）简化等效电路 c）电气图形符号武汉理工大学毕业设计（论文）8就 IGBT 的结构而言，是在 N 沟道 MOSFET 的漏极 N 层上又附加上一层 P 层的 P-N-P-N 的四层结构。图 2-2（a）为 N 沟道 VDMOSFET 与 GTR 组合 N 沟道 IGBT（N-IGBT） ,IGB

41、T 比 VDMOSFET 多一层 注入区，形成了一个大面积的 N 结 使 IGBTP1J导通时由 注入区向 N 基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得 IGBT 具有P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，一个由 MOSFET 驱动的厚基区 PNP 晶体管, 为晶体管基区内的调制电阻 3。NR2.2.2 IGBT 的工作原理N 沟型的 IGBT 工作是通过栅极发射极间加阀值电压 以上的（正）电压，在栅THV极电极正下方的 层上形成反型层（沟道），开始从发射极电极下的 层注入电子。该p n电子为 - - 晶体管的少数载流子，从集电极衬

42、底 层开始流入空穴，进行电导率调制n p（双极工作），所以可以降低集电极发射极间饱和电压。工作时的等效电路如图 2-2（b）所示，IGBT 的符号如图 2-2（c ）所示。在发射极电极侧形成 - - 寄生晶体管。p若 - - 寄生晶体管工作，又变成 - - - 晶闸管。电流继续流动，直到输出侧p pn停止供给电流。通过输出信号已不能进行控制。一般将这种状态称为闭锁状态。为了抑制 - - 寄生晶体管的工作 IGBT 采用尽量缩小 - - 晶体管的电流放n n大系数 作为解决闭锁的措施。具体地来说， - - 的电流放大系数 设计为 0.5 以p下。IGBT 的闭锁电流 为额定电流（直流）的 3 倍

43、以上。IGBT 的驱动原理与电力LIMOSFET 基本相同，通断由栅射极电压 决定。GEuIGBT 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 基P片和一个 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT 技术没有增加这个部分），其中一个 MOSFETN驱动两个双极器件。基片的应用在管体的 和 区之间创建了一个 结。当正栅偏压PN1J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， 将1J处于正向偏压，一些空穴注入 区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式

44、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)和 另一个空穴电流（双极）。 大于GEu开启电压 时，MOSFET 内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT 导通。而所thUGE谓的导通压降就是电导调制效应使电阻 减小，使通态压降小。NR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 区内。N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，

45、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：功耗升高和交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。武汉理工大学毕业设计（论文）9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、 和 密切相关的空CIEV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，尾流特性与 、 和 有关。CEVICT栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT 关断。当集电极被施加一个反向电压时， 就会受到反向偏压控制，耗

46、尽层则会向 区扩1J N展。因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；当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/N 结受反向电压控制。此时，仍然是3J由 N 漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。IGBT 在集电极与发射极之间有一个寄生 PNPN 晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效 MOSFET 的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为 IGBT 闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系

47、。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：第一，当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现；第二，只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生 NPN 和 PNP 晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：一是防止 NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别；二是降低 NPN 和 PNP 晶体管的总电流增益；此外，闩锁电流对 PNP 和 NPN 器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P 基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为 1:5。2.3 IGBT 工

48、作特性 2.3.1 静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性 3。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系gsU曲线。输出漏极电流比受栅源电压 的控制， 越高， 越大。它与 GTR 的输出特gsgsdI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 结承担，反向电压由 结承担。如果无 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到2JJN同样水平，加入 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N某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流武汉理工大学毕业设计（论文

49、）10与栅源电压 之间的关系曲线。它与 MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开dIgsU启电压 时，IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， 与thgs dI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。 sIGBT 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 可用下式表示：onUds（2-1）ohdrjds RIUon1式中， 为 结的正向电压，其值为 0.71V ； 为扩展电阻 上的压降；1jUJ drdrR为沟道电阻。 ohR通态电流 可用下式表示： dsI（2-2）mospnds