2.5 絕緣柵雙極型晶體管

2.5.1 絕緣柵雙極型晶體管的工作原理與特性

1.IGBT的工作原理

絕緣柵雙極晶體管簡稱IGBT，是由MOSFET和晶體管技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型器件，在開關(guān)電源和要求快速、低損耗的領(lǐng)域備受青睞。

圖2-74所示為IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖。由圖可知，IGBT是在功率MOSFET的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者結(jié)構(gòu)十分類似，不同之處是IGBT多了一個(gè)P+層發(fā)射極，可形成PN結(jié)J1，并由此引出漏極；門極和源極與MOSFET相似。

IGBT按緩沖區(qū)的有無來分類，緩沖區(qū)是介于P+發(fā)射區(qū)和N-漂移區(qū)之間的N+層。無緩沖區(qū)N+的稱為對(duì)稱型IGBT，也稱非穿通型IGBT；有N+緩沖區(qū)的稱為非對(duì)稱型IGBT，也稱穿通型IGBT。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同造成其特性亦不同，非對(duì)稱型IGBT由于存在N+區(qū)，反向關(guān)斷能力弱，但其正向壓降低、關(guān)斷時(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流小。與之相反，對(duì)稱型IGBT具有正反向關(guān)斷能力，其他特性卻不及非對(duì)稱型IGBT。

IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR，其簡化等效電路如圖2-75（a）所示，N溝道IGBT的圖形符號(hào)如圖2-75（b）所示。對(duì)于P溝道IGBT，其圖形符號(hào)中的箭頭方向恰好相反。圖中的電阻Rdr是厚基區(qū)GTR基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。IGBT是以GTR為主導(dǎo)元件， MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。圖示器件為N溝道IGBT, MOSFET為N溝道型， GTR為PNP型。

IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷是由門極電壓來控制的。門極施加正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP型晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。在門極上施加負(fù)電壓時(shí)， MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP型晶體管的基極電流被切斷，IGBT即為關(guān)斷。

當(dāng)UDS為負(fù)時(shí)，J3結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，類似于反偏二極管，器件呈反向關(guān)斷狀態(tài)。

當(dāng)UDS為正時(shí)，有兩種可能：

（1）若門極電壓小于開啟電壓，即UG＜UT時(shí)，則溝道不能形成，器件呈正向關(guān)斷狀態(tài)；

（2）若門極電壓大于開啟電壓，即UG＞UT時(shí)，絕緣門極下面的溝道形成，N+區(qū)的電子通過溝道進(jìn)入N-漂移區(qū)，漂移到J3結(jié)，此時(shí)J3結(jié)是正向偏置，也向N-區(qū)注入空穴，從而在N-區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使器件正向?qū)ā?/p>

在器件導(dǎo)通之后，若將門極電壓突然減至零，則溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使漏極電流有所突降，但由于N-區(qū)中注入了大量的電子-空穴對(duì)，因而漏極電流不會(huì)馬上為零，而出現(xiàn)一個(gè)拖尾時(shí)間。

IGBT結(jié)構(gòu)中寄生著PNPN四層結(jié)構(gòu)，存在著因再生作用而將導(dǎo)通狀態(tài)鎖定起來的可能性，從而導(dǎo)致漏極電流失控，進(jìn)而引起器件產(chǎn)生破壞性失效。出現(xiàn)鎖定現(xiàn)象的條件就是晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通條件，即

α1+α2=1

IGBT的鎖定現(xiàn)象又分為靜態(tài)鎖定、動(dòng)態(tài)鎖定及柵分布鎖定。靜態(tài)鎖定是IGBT在穩(wěn)態(tài)電流導(dǎo)通時(shí)出現(xiàn)的鎖定，此時(shí)漏極電壓低，鎖定發(fā)生在穩(wěn)態(tài)電流密度超過某一數(shù)值的時(shí)刻。動(dòng)態(tài)鎖定發(fā)生在開關(guān)過程中，在大電流、高電壓的情況下，主要是因?yàn)樵陔娏鬏^大時(shí)引起α1和α2的增加，以及由過大的du/dt引起的位移電流造成的。柵分布鎖定是由于絕緣柵的電容效應(yīng)，造成在開關(guān)過程中個(gè)別先導(dǎo)通或后關(guān)斷的IGBT之中的電流密度過大而形成局部鎖定。應(yīng)當(dāng)采取各種工藝措施提高IGBT的鎖定電流，克服由于鎖定而產(chǎn)生失效。

2．基本特性

1）靜態(tài)特性

IGBT的靜態(tài)特性包括伏安特性、飽和電壓特性、轉(zhuǎn)移特性和靜態(tài)開關(guān)特性。

伏安特性表示器件的端電壓與電流的關(guān)系。N-IGBT的伏安特性如圖2-76（a）所示， IGBT的伏安特性與GTR的基本相似，不同之處是，控制參數(shù)是門源電壓UGS而不是基極電流。伏安特性分為飽和區(qū)（Ⅰ）、放大區(qū)（Ⅱ）和擊穿區(qū)（Ⅲ）。輸出電流由門源電壓控制，門源電壓UGS越大，輸出電流ID越大。由圖2-74看出，當(dāng)IGBT關(guān)斷后，J2結(jié)關(guān)斷正向電壓；反向關(guān)斷電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，正、反向關(guān)斷電壓可以做到同樣水平，但加入N+緩沖區(qū)后，伏安特性中的反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏，因此限制了IGBT在需要關(guān)斷反向電壓場合的應(yīng)用。

IGBT的飽和電壓特性如圖2-76（b）所示，由圖可知，IGBT的電流密度較大，通態(tài)電壓的溫度系數(shù)在小電流范圍內(nèi)為負(fù)，大電流范圍內(nèi)為正，其值大約為1.4倍/100℃。

IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2-76（c）所示，與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同。在大部分漏極電流范圍內(nèi)，ID與UGS呈線性關(guān)系；只有當(dāng)門源電壓接近開啟電壓UT時(shí)才呈非線性關(guān)系，此時(shí)漏極電流已相當(dāng)小。當(dāng)門源電壓UGS小于開啟電壓UT時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。加在門源之間的最高電壓由流過漏極的最大電流所限定。一般門源電壓的最佳值可取15V左右。

IGBT的靜態(tài)開關(guān)特性如圖2-76（d）所示。當(dāng)門源電壓大于開啟電壓時(shí)，IGBT即導(dǎo)通。IGBT由PNP型晶體管和MOSFET組成達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，其中PNP為主晶體管，MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件。電阻Rdr介于PNP型晶體管基極和MOSFET漏極之間，它代表N-漂移區(qū)電阻，一般稱為擴(kuò)展電阻。與普通達(dá)林頓結(jié)構(gòu)不同，在等效電路中流過MOSFET的電流是IGBT總電流的主要部分。在這種情況下，通態(tài)電壓UDS（on）可用下式表示

式中 UJ1——J1結(jié)的正向電壓，UJ1=0.7～1V；

Udr——擴(kuò)展電阻Rdr上的壓降；

Ron——溝道電阻。

與功率MOSFET相比，IGBT通態(tài)壓降要小得多，1000V的IGBT約有2～5V的通態(tài)壓降。這是因?yàn)镮GBT中N-漂移區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的緣故。IGBT的通態(tài)電流IDS為MOSFET的電流IMOS構(gòu)成IGBT總電流的主要部分。這種不均衡的電流分配是由IGBT的結(jié)構(gòu)所決定的。

即

因?yàn)楦邏篒GBT中PNP型晶體管的放大倍數(shù)βPNP＜1，所以PNP型晶體管的基區(qū)電流，即

因?yàn)镮GBT的構(gòu)成基礎(chǔ)是功率MOSFET，通過門源電壓可控制IGBT的狀態(tài)，當(dāng)UGS＜UT時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，只有很小的漏電流存在，外加電壓由J2結(jié)承擔(dān)，這種關(guān)斷狀態(tài)與功率MOSFET基本一致?？梢?，對(duì)稱型IGBT具有正、反向關(guān)斷電壓的能力，而非對(duì)稱型IGBT幾乎沒有反向關(guān)斷能力。

2）動(dòng)態(tài)特性

IGBT的動(dòng)態(tài)特性包括導(dǎo)通過程和關(guān)斷過程兩個(gè)方面。

IGBT導(dǎo)通時(shí)的瞬態(tài)過程如圖2-77所示。IGBT在降壓變換電路中運(yùn)行時(shí)，其電流、電壓波形與功率MOSFET導(dǎo)通時(shí)的波形相似。這是因?yàn)镮GBT在導(dǎo)通過程中大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的。圖中td（on）為導(dǎo)通延遲時(shí)間，tri為電流上升時(shí)間，UGG+為門源電壓。漏源電壓的下降時(shí)間分為tf1和tf2兩段：tf1段曲線為IGBT中MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間；tf2段曲線為MOSFET和PNP型晶體管兩個(gè)器件同時(shí)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間。tf2時(shí)間的長短由兩個(gè)因素決定：一是在漏源電壓降低時(shí)，IGBT中MOSFET的門漏電容增加，致使電壓下降時(shí)間變長，這與MOSFET相似；二是IGBT的PNP型晶體管從放大狀態(tài)轉(zhuǎn)為飽和狀態(tài)要有一個(gè)過程，這個(gè)過程也使電壓下降時(shí)間變長。由上可知，只有tf2曲線的末尾漏源電壓才進(jìn)入飽和階段。在UGS的波形圖中，從td（on）開始到tri結(jié)束階段，門源電壓按指數(shù)規(guī)律增加。UG S（t）曲線在從tri末尾至tf2結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)，由于門源間流過驅(qū)動(dòng)電流，門源之間呈現(xiàn)二極管正向特性，所以UGS維持不變。當(dāng)IGBT完全導(dǎo)通后，驅(qū)動(dòng)結(jié)束，UGS（t）重又按指數(shù)規(guī)律最終達(dá)到UGG+值。

在降壓變換電路中運(yùn)行時(shí)，IGBT的關(guān)斷電流、電壓波形如圖2-78所示。由圖可知，在最初階段里，關(guān)斷的延遲時(shí)間和電壓UDS的上升時(shí)間trv，由IGBT中MOSFET決定。關(guān)斷時(shí)IGBT和MOSFET的主要差別是電流波形分為tfi1和tfi2兩部分，其中tfi1由MOSFET決定，對(duì)應(yīng)于MOS-FET的關(guān)斷過程，tfi1由PNP型晶體管中存儲(chǔ)電荷所決定。因?yàn)樵?span id="8hjqlvo" class="italic">tfi1末尾MOSFET已關(guān)斷，IG-BT又無反向電壓，體內(nèi)的存儲(chǔ)電荷難以被迅速消除，所以漏極電流有較長的下降時(shí)間。因?yàn)榇藭r(shí)漏源電壓已經(jīng)建立，過長的下降時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大的功耗，使結(jié)溫增高，所以希望下降時(shí)間越短越好。IGBT中無N+層緩沖區(qū)的，下降時(shí)間較短；反之，下降時(shí)間則較長。

通過通態(tài)電壓與快速關(guān)斷時(shí)間的折中，則可以減小下降時(shí)間，這一設(shè)計(jì)思想與一般雙極型器件相同。

在實(shí)際應(yīng)用中，用漏極電流的動(dòng)態(tài)波形來確定IGBT的開關(guān)時(shí)間。漏極電流的導(dǎo)通時(shí)間和上升時(shí)間分別用ton和tr表示。導(dǎo)通時(shí)間包括電流延遲時(shí)間和上升時(shí)間兩部分，如圖2-78中td（on）和tri所示。漏極電流的關(guān)斷時(shí)間和下降時(shí)間分別用tof和tf表示。關(guān)斷時(shí)間由存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間所組成，如圖2-78所示，存儲(chǔ)時(shí)間又包括td（of）和trv兩部分，下降時(shí)間則由tfi1和tfi2組成。

IGBT的開關(guān)時(shí)間與漏極電流、門極電阻及結(jié)溫等參數(shù)有關(guān)。圖2-79給出了開關(guān)時(shí)間與漏極電流、門極電阻的關(guān)系曲線，圖中所示為MG25BZ100型IGBT模塊的實(shí)測曲線。圖2-79（a）為電阻負(fù)載時(shí)漏極電流與開關(guān)時(shí)間的關(guān)系曲線，測試條件為：UCC=600V, UG S=± 15 V, RG=54 Ω, TC=25℃。圖2-79（b）為電阻負(fù)載時(shí)門極電阻與開關(guān)時(shí)間的關(guān)系曲線，測試條件為：UCC=600V, ID=25A, UGS=±15V, TC=25℃。由曲線可知，隨著漏極電流和門極電阻的增加，導(dǎo)通時(shí)間ton、上升時(shí)間tr、關(guān)斷時(shí)間tof和下降時(shí)間tf都趨向增加，尤以門極電阻對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響更大。

IGBT的開關(guān)損耗與溫度有關(guān)。圖2-80（a）所示為IGBT導(dǎo)通損耗與電流的關(guān)系，盡管IGBT的導(dǎo)通損耗較低，但隨溫度升高而增大。

圖2-80（b）所示為IGBT的關(guān)斷損耗與電流、溫度的關(guān)系。IGBT的關(guān)斷損耗隨溫度上升而增加。

3）擎住效應(yīng)

IGBT的鎖定現(xiàn)象又稱擎住效應(yīng)。由圖2-75（a）可知，IGBT復(fù)合器件內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管存在，它由PNP型和NPN型兩個(gè)晶體管組成。在NPN型晶體管的基極與發(fā)射極之間有一個(gè)體區(qū)電阻Rbr，在該電阻上，P型體區(qū)的橫向空穴流會(huì)產(chǎn)生一定壓降。對(duì)J3結(jié)來說，相當(dāng)于加一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏壓不大，NPN型晶體管不起作用。當(dāng)漏極電流大到一定程度時(shí)，這個(gè)正偏置電壓足以使NPN型晶體管導(dǎo)通，進(jìn)而使NPN型晶體管和PNP型晶體管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管導(dǎo)通，門極失去控制作用，這就是擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流增大，造成過高的功耗，最后導(dǎo)致器件損壞。由此可知，漏極電流有一個(gè)臨界值IDM，大于這個(gè)值IGBT就會(huì)產(chǎn)生擎住效應(yīng)。為此，器件制造廠必須規(guī)定漏極電流的最大值IDM，以及與此相應(yīng)的門極-源極間電壓的最大值。漏極通態(tài)電流的連續(xù)值超過臨界值IDM時(shí)產(chǎn)生的擎住效應(yīng)稱為靜態(tài)擎住現(xiàn)象。

IGBT在關(guān)斷的過程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的擎住效應(yīng)。動(dòng)態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)擎住時(shí)還要小，因此，制造廠家所規(guī)定的IDM值是按動(dòng)態(tài)擎住所允許的最大漏極電流而確定的。IGBT在關(guān)斷時(shí)，MOSFET的關(guān)斷十分迅速，IGBT總電流也很快減小為零。與此相應(yīng)，J2結(jié)的反向電壓也迅速建立。此電壓建立的快慢由IGBT承受的最大電壓上升率du/dt決定。dUDS/dt越大，J2結(jié)反向空穴建立得越快；但是dUDS/dt在J2結(jié)引起的位移電流CJ2dUDS/dt越大。此位移電流為空穴電流，也稱dUDS/dt電流。當(dāng)dUDS/dt電流流過體區(qū)擴(kuò)展電阻Rbr時(shí)，可產(chǎn)生足以使NPN型晶體管導(dǎo)通的正向偏置電壓，以滿足寄生晶閘管導(dǎo)通擎住的條件。由此可知，動(dòng)態(tài)過程中擎住現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由最大電壓上升率dUDS/dt來決定，此外還受漏極電流IDM及結(jié)溫Tj等因素的影響。

為了避免IGBT發(fā)生擎住現(xiàn)象，設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)保證IGBT中的電流不超過IDM值；或者用加大門極電阻RG的辦法延長IGBT的關(guān)斷時(shí)間，減小最大電壓上升率dUDS/dt?？傊?，IGBT的使用必須避免擎住效應(yīng)的產(chǎn)生，否則就有燒壞IGBT的危險(xiǎn)。

4）安全工作區(qū)

導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，IGBT均具有較寬的安全工作區(qū)。

IGBT導(dǎo)通時(shí)為正向偏置，其安全工作區(qū)稱為正向偏置安全工作區(qū)，簡稱FBSOA，如圖2-81（a）所示。FBSOA與IGBT的導(dǎo)通時(shí)間密切相關(guān)，導(dǎo)通時(shí)間很短時(shí)，F(xiàn)BSOA為矩形方塊，隨著導(dǎo)通時(shí)間的增加，安全工作區(qū)逐步減小。直流工作時(shí)安全工作區(qū)最小。這是因?yàn)閷?dǎo)通時(shí)間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，因而安全工作區(qū)越小。

IGBT關(guān)斷時(shí)為反向偏置，其安全工作區(qū)稱為反向偏置安全工作區(qū)，簡稱RBSOA，如圖2-81（b）所示。RBSOA與FBSOA稍有不同，RBSOA隨著IGBT關(guān)斷時(shí)的最大電壓上升率dUDS/dt而改變。電壓上升率dUDS/dt越大，安全工作區(qū)越小。與SCR、GTO等器件一樣，過高的最大電壓上升率dUDS/dt會(huì)使IGBT導(dǎo)通，產(chǎn)生擎住效應(yīng)。一般通過適當(dāng)選擇門源電壓和門極驅(qū)動(dòng)電阻可控制最大電壓上升率dUDS/dt，避免IGBT因dUDS/dt過高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。

最大的漏極電流IDM是根據(jù)避免動(dòng)態(tài)擎住而確定的，與此相應(yīng)還確定了最大的門源電壓UG S M。只要不超過UG S M，外部電路發(fā)生故障時(shí)，IGBT將從飽和狀態(tài)進(jìn)入放大狀態(tài)。漏極電流與漏源電壓無關(guān)，基本保持為恒定值，如圖2-76（a）所示。IGBT的這種特性有利于通過控制門極電壓使漏極電流不再增加，進(jìn)而避免擎住效應(yīng)的發(fā)生。在這種狀態(tài)下應(yīng)盡快關(guān)斷IGBT，避免過量的發(fā)熱導(dǎo)致器件損壞。當(dāng)門源電壓UGS在10～15V之間工作時(shí)，漏極電流可在5～10μs內(nèi)超過額定電流的4～10倍。在這種情況下仍能用反向偏置的UGS進(jìn)行關(guān)斷。若超過此極限，IGBT則有損壞的危險(xiǎn)。

最大允許的漏源電壓UDSM是由IGBT中PNP型晶體管的擊穿電壓確定的，實(shí)際是由圖2-74所示的J2結(jié)決定的。目前IGBT的耐壓可達(dá)1200V。

IGBT的最高允許結(jié)溫為150℃。IGBT的通態(tài)壓降UDS（on）基本穩(wěn)定，不隨溫度而變，因?yàn)镮GBT中MOSFET部分的壓降是正溫度系數(shù)，而PNP型晶體管部分的壓降是負(fù)溫度系數(shù)，兩者相結(jié)合使IGBT具有良好的溫度特性。

2.5.2 門極驅(qū)動(dòng)

1．驅(qū)動(dòng)條件

IGBT的門極驅(qū)動(dòng)條件密切地關(guān)系到它的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。門極電路的正偏壓UGS、負(fù)偏壓-UGS和門極電阻RG的大小，對(duì)IGBT的通態(tài)電壓、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、承受短路能力及du/dt電流等參數(shù)有不同程度的影響。門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系見表2-2。門極正電壓UGS的變化對(duì)IGBT導(dǎo)通特性、負(fù)載短路能力和dUDS/dt電流有較大影響，而門極負(fù)偏壓則對(duì)關(guān)斷特性的影響較大。在門極電路的設(shè)計(jì)中，必須注意導(dǎo)通特性、負(fù)載短路能力和由dUDS/dt電流引起的誤觸發(fā)等問題。為了說明數(shù)量上的大致關(guān)系，以富士公司的2MB150-060型IGBT模塊為例，說明門極驅(qū)動(dòng)電路條件對(duì)各特性參數(shù)的影響情況。

1）正偏電壓UGS的影響

IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電路如圖2-82（a）所示，圖2-82（b）則給出了通態(tài)電壓UDS與UGS的關(guān)系曲線。由圖可知，當(dāng)UGS增加時(shí)，通態(tài)壓降下降。對(duì)漏極額定電流ID為50A的IGBT，選擇UG S為15V較為合理。在這一點(diǎn)通態(tài)電壓接近飽和值，是IGBT工作的最佳點(diǎn)。此外，從圖2-82（b）還可以看出，IGBT的漏極額定電流ID增加，通態(tài)電壓也增加。

UG S增加時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間縮短，因而導(dǎo)通損耗減小。圖2-83所示為每個(gè)脈沖導(dǎo)通能耗Eo n與門極正偏壓UGS的關(guān)系曲線。圖中所示為IGBT在電源電壓為300V，漏極電流為50A，門極電阻為50Ω，門極反偏電壓為-15V時(shí)的實(shí)測曲線。當(dāng)UGS增加時(shí)，IGBT的導(dǎo)通能量損耗下降。UGS的增加雖然對(duì)減小通態(tài)電壓和導(dǎo)通損耗有利，但是UGS不能隨意增加，UGS增加到一定程度之后，對(duì)IGBT的負(fù)載短路能力及dUDS/dt電流有不利的影響。

2）負(fù)偏電壓-UGS的影響

負(fù)偏電壓是很重要的門極驅(qū)動(dòng)條件，它直接影響IGBT的可靠運(yùn)行。圖2-84（a）所示為試驗(yàn)電路的示意圖，圖2-84（b）所示為負(fù)偏電壓與漏極浪涌電流的關(guān)系曲線。當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)VT2的反并聯(lián)快恢復(fù)二極管VD繼續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)VD恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流迅速中斷，在VT2的漏極-源極之間產(chǎn)生高達(dá)30000V/μs的電壓上升率dUDS/dt。過高的dUDS/dt會(huì)產(chǎn)生較大的位移電流使門極-源極間的電壓上升，并超過IGBT的門極閾值電壓，于是產(chǎn)生一個(gè)較大的漏極脈沖浪涌電流。過大的漏極浪涌電流會(huì)使IGBT發(fā)生不可控的擎住現(xiàn)象。為了避免IGBT發(fā)生這種誤觸發(fā)，可在門極加反向偏置電壓。由圖2-84（b）所示曲線可知，負(fù)偏置電壓應(yīng)為-5V或更大一些。

由表2-2可知，負(fù)門極偏置電壓的增加，對(duì)關(guān)斷特性影響不大。圖2-85所示為每個(gè)脈沖的關(guān)斷能耗Eof隨-UGS變化的關(guān)系曲線，可見Eof隨-UGS的增加變化甚小。曲線的測試條件為：漏極電源為300V，漏極電流為50A，門極正偏電壓為15V，門極電阻為50Ω。

3）門極電阻RG的影響

當(dāng)門極電阻RG增加時(shí)，IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間增加，進(jìn)而使每個(gè)脈沖的導(dǎo)通能耗Eon和關(guān)斷能耗Eof也增加。Eon與Eof和門極電阻RG的關(guān)系如圖2-86所示，從圖中可見，希望RG要小，但是，從圖2-87所示漏極電流上升率diD/dt與門極電阻RG的關(guān)系又知，當(dāng)門極電阻RG減小時(shí)，IGBT的電流上升率di/dt增大，這又會(huì)引起IGBT的誤導(dǎo)通，同時(shí)電阻RG上的損耗也增加。根據(jù)上述兩種情況，RG的選擇原則是，在開關(guān)損耗不太大的情況下，應(yīng)選用較大的門極電阻RG。例如對(duì)2MB150—060型IGBT來說，RG以小于100Ω為宜。

根據(jù)上述分析，對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路提出下列要求和條件：

（1）由于是容性輸入阻抗，因此IGBT對(duì)門極電荷集聚很敏感，驅(qū)動(dòng)電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路。

（2）用低內(nèi)阻的驅(qū)動(dòng)源對(duì)門極電容充、放電，以保證門極控制電壓UGS有足夠陡峭的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外IGBT導(dǎo)通后，門極驅(qū)動(dòng)源應(yīng)提供足夠的功率使IGBT不致退出飽和而損壞。

（3）門極電路中的正偏壓應(yīng)為+12～+15V；負(fù)偏壓應(yīng)為-2～-10V。

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

（5）門極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)盡可能簡單實(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

在滿足上述驅(qū)動(dòng)條件的前提下，可設(shè)計(jì)IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電路。因?yàn)镮GBT的輸入特性幾乎和MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于IGBT。

為了使門極驅(qū)動(dòng)電路與信號(hào)電路隔離，應(yīng)采用抗噪聲能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸時(shí)間短的光耦合器件。門極和發(fā)射極的引線應(yīng)盡量短，門極驅(qū)動(dòng)電路的輸出線應(yīng)為絞合線。為抑制輸入信號(hào)的振蕩現(xiàn)象，在圖中的門源端并聯(lián)一個(gè)阻尼網(wǎng)絡(luò)，即由1Ω電阻和0.33μF電容器組成阻尼濾波器。另外，驅(qū)動(dòng)電路的輸出級(jí)與IGBT輸入端之間的連接串有一只10Ω的門極電阻。其具體電路如圖2-88（a）所示。

圖2-88（b）為采用光耦合器使信號(hào)電路與門極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離。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IGBT的關(guān)斷過程。

圖2-89所示為應(yīng)用脈沖變壓器直接驅(qū)動(dòng)IGBT的電路。電路中由控制脈沖形成電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)晶體管VT進(jìn)行功率放大后加到脈沖變壓器T，并由T隔離耦合經(jīng)穩(wěn)壓管VDZ1、VDZ2限幅后驅(qū)動(dòng)IGBT。由于是電磁隔離方式，驅(qū)動(dòng)級(jí)不需要專門的直流電源，簡化了電源結(jié)構(gòu)，且工作頻率較高，可達(dá)100kHz左右。這種電路的缺點(diǎn)是由于漏感和集膚效應(yīng)的存在，使繞組的繞制工藝復(fù)雜，并易于出現(xiàn)振蕩。

3.IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊

大多數(shù)IGBT生產(chǎn)廠家為了解決IGBT的可靠性問題，都生產(chǎn)與其相配套的混合集成驅(qū)動(dòng)電路，如日本富士的EXB系列、日本東芝的TK系列、美國摩托羅拉的MPD系列等。這些專用驅(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的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)。

日本富士公司的EXB841型300A/1200V快速型IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊，整個(gè)電路信號(hào)延遲時(shí)間不超過1μs，最高工作頻率可達(dá)40～50kHz。它只需要外部提供一個(gè)+20V電源，模塊自身設(shè)有-5V反偏電壓。模塊采用高速光耦合器隔離，射極輸出，并有短路保護(hù)及慢速關(guān)斷功能。其功能原理框圖如圖2-90所示；電路原理如圖2-91所示。模塊的結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：放大部分、過電流保護(hù)部分和5V基準(zhǔn)電源部分。

放大部分由ISO1（TLP550）光耦合器、晶體管VT2、VT4、VT5和阻容元件R1、C1、R2、R9組成，其中ISO1起隔離作用，VT2為中間放大級(jí)，VT4、VT5組成互補(bǔ)式推挽輸出。

過電流保護(hù)部分由晶體管VT1、VT3、VT6和穩(wěn)壓管VDZ1及阻容元件R3～R8, C2～C4組成。它們能實(shí)現(xiàn)過電流檢測和延時(shí)的保護(hù)功能。模塊的⑥腳通過快速二極管VD2接至IGBT的漏極D，以檢測UDS的高低來判斷是否發(fā)生短路。

5V基準(zhǔn)電源部分由VDZ2和R10、C5組成，它既為驅(qū)動(dòng)IGBT提供-5V反偏壓，同時(shí)也為輸入ISO1光耦合器提供二次電源。

EXB841驅(qū)動(dòng)模塊的工作原理如下。

1）正常導(dǎo)通過程

當(dāng)控制電路使EXB841輸入端○14腳和○15腳有10mA的電流流過時(shí)，ISO1光耦合器導(dǎo)通， A點(diǎn)電位迅速下降至0V，使晶體管VT1、VT2截止；VT2截止使B點(diǎn)電位上升至20V, VT4導(dǎo)通，VT5截止，EXB841通過VT4及門極電阻RG向IGBT提供電流，使之迅速導(dǎo)通，UDS下降至3V。與此同時(shí)，VT1截止使+20V電源通過R3向電容C2充電，時(shí)間常數(shù)τ1為

τ1=R3C2=2.42 μs

使C點(diǎn)電位由零升到13V的時(shí)間可由下式求得

由于IGBT約1μs后已導(dǎo)通，UDS下降至3V，從而將EXB841的⑥腳電位鉗制在8V左右，因此C點(diǎn)和F點(diǎn)電位只能達(dá)到8V左右。這個(gè)過程時(shí)間為1.24μs。因穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為13V，故在IGBT正常導(dǎo)通時(shí)不會(huì)被擊穿，VT3不通，E點(diǎn)電位仍約為20V，二極管VD1截止，不影響VT4、VT5的工作狀態(tài)。

2）正常關(guān)斷過程

當(dāng)控制電路使EXB841輸入端○14腳和○15腳無電流流過時(shí)光耦合器ISO1不通，A點(diǎn)電位上升使VT1和VT2導(dǎo)通；VT2導(dǎo)通使VT5導(dǎo)通、VT4截止，IGBT的門極電荷通過VT5迅速放電，使EXB841的③腳電位迅速下降至0V，由于此時(shí)③腳電位比①腳電位低5V，因此IGBT可靠關(guān)斷，UDS迅速上升，使EXB841的⑥腳經(jīng)VD2隔離“懸空”。此時(shí)VT1導(dǎo)通，電容C2通過VT1更快放電，將C點(diǎn)和F點(diǎn)電位鉗在0V，此時(shí)VT2導(dǎo)通，B點(diǎn)電位也為0V，此刻穩(wěn)壓管VDZ1仍不通，后續(xù)電路不會(huì)動(dòng)作，IGBT正常關(guān)斷。

3）保護(hù)動(dòng)作

IGBT正常導(dǎo)通時(shí)C點(diǎn)和F點(diǎn)電位穩(wěn)定在8V左右，穩(wěn)壓管VDZ1不被擊穿，VT3不導(dǎo)通， E點(diǎn)電位保持為20V，二極管VD1截止。若此時(shí)發(fā)生短路，IGBT承受大電流而退出飽和。UDS上升很多，二極管VD2截止，則EXB841的⑥腳“懸空”, C點(diǎn)和F點(diǎn)電位開始由8V上升；當(dāng)上升至13V時(shí)，VDZ1被擊穿，使VT3導(dǎo)通，電容C4通過R7和VT3放電，E點(diǎn)電位逐步下降，從而使EXB841的③腳電位也逐步下降，慢慢關(guān)斷IGBT。

其中，C點(diǎn)和F點(diǎn)電位由8V上升到13V的時(shí)間可由下式求得

又R7、C4組成的時(shí)間常數(shù)為

τ2=C4R7=4.84 μs

則E點(diǎn)由20V下降到3.6V的時(shí)間可由下式求得

此時(shí)慢關(guān)斷過程結(jié)束。IGBT門極偏壓為0V。

這種狀態(tài)一直持續(xù)到控制信號(hào)使EXB841中ISO1光耦合器截止，此時(shí)VT1和VT2導(dǎo)通，VT2導(dǎo)通使B點(diǎn)電位下降至0V，從而VT4完全截止，VT5完全導(dǎo)通，IGBT門極所受偏壓由慢關(guān)斷時(shí)的0V迅速下降到-5V, IGBT完全關(guān)斷。VT1導(dǎo)通使C2迅速放電、VT3截止， 20V電源通過R9對(duì)C4充電，時(shí)間常數(shù)為

τ3=R9C4=48.4 μs

則E點(diǎn)由3.6V充至19V的時(shí)間可由下式求得

即E點(diǎn)恢復(fù)到正常狀態(tài)需135μs，至此EXB841完全恢復(fù)到正常狀態(tài)，可以進(jìn)行正常的驅(qū)動(dòng)。

圖2-92所示為IGBT專用驅(qū)動(dòng)電路HR065的內(nèi)部電路圖。HR065的基本工作原理與EXB系列大致相同，但引腳由15只減少為10只，引腳定義如下：①腳接IGBT漏極；②腳接直流電源正端；③腳接門極電阻；④腳接直流電源地；⑤、⑥腳分別接輸出報(bào)警光電耦合器的正、負(fù)端；⑦腳接過流保護(hù)抗干擾電容；⑧腳接源極檢測二極管正端；⑨、⑩腳分別接輸入信號(hào)的正、負(fù)端。

光耦合器VL、晶體管VT1、VT2、VT3及電阻R1、R2、R3構(gòu)成了驅(qū)動(dòng)器的基本電路。其中VT2、VT3為一對(duì)互補(bǔ)推挽輸出管，VT2導(dǎo)通時(shí)VT3必定截止，驅(qū)動(dòng)器向IGBT柵極輸出正電壓；反之，輸出負(fù)電壓。VT1為信號(hào)中間推動(dòng)管。光耦合器VL起到傳遞輸入信號(hào)和實(shí)現(xiàn)輸入/輸出隔離的雙重作用。VT4、VT5、VDZ及R4～R8, C1～C3構(gòu)成了過電流檢測、故障信號(hào)輸出及導(dǎo)通保持電路。當(dāng)IGBT正常導(dǎo)通時(shí)，⑧腳與①腳之間電壓較低，故VDZ中無電流流過， VT5基極沒有正向偏置，處于截止?fàn)顟B(tài)，故障信號(hào)輸出引腳⑤、⑥之間無電流輸出。當(dāng)過電流發(fā)生時(shí)，IGBT的飽和壓降隨著短路電流的增大而升高，當(dāng)增大到超過某一設(shè)定值時(shí)，穩(wěn)壓管VDZ反向?qū)?，為VT5提供基極電流，VT5由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，故障輸出端有電流輸出。此時(shí)二極管VD導(dǎo)通，強(qiáng)行將VT2、VT3的基極電流減小，使VT2從飽和區(qū)退回到放大區(qū)，造成輸出正向驅(qū)動(dòng)電壓下降，以實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。另外，VT5導(dǎo)通時(shí)，產(chǎn)生正向脈沖信號(hào)經(jīng)C2耦合到導(dǎo)通保持電路，由于C3的作用，可使VT4保持約30～45μs的導(dǎo)通狀態(tài)，保證了VT1在這段時(shí)間內(nèi)可靠截止，不受輸入端信號(hào)的影響。如果在這段時(shí)間內(nèi)，過電流故障撤銷，則二極管VD截止，正向驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)正常，IGBT照常工作。若在此段時(shí)間以后，過電流故障仍然存在，在輸入封鎖信號(hào)作用下，光耦合器VL中的晶體管截止，VT1導(dǎo)通，立即在IGBT柵極形成負(fù)偏電壓，關(guān)斷器件。同時(shí)，VT6導(dǎo)通，故障檢測電路不起作用。VT6起著一個(gè)邏輯電路的作用，即只在驅(qū)動(dòng)器輸出正向電壓時(shí)才導(dǎo)通過電流檢測電路，其他情況下均使其無效，這樣能可靠地防止“假過電流”。

2.5.3 IGBT的保護(hù)

將IGBT用于變換器時(shí)，應(yīng)采取保護(hù)措施以防損壞器件，常用的保護(hù)措施有：

（1）通過檢出的過電流信號(hào)切斷門極控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)；

（2）利用緩沖電路抑制過電壓，并限制過量的du/dt；

（3）利用溫度傳感器檢測IGBT的殼溫，當(dāng)超過允許溫度時(shí)主電路跳閘，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。

下面著重討論因短路而產(chǎn)生的過電流及其保護(hù)措施。

前已述及，IGBT由于寄生晶閘管的影響，當(dāng)流過IGBT的電流過大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不可控的擎住效應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)使IGBT的漏極電流不超過額定電流，以避免出現(xiàn)擎住現(xiàn)象。一旦主電路發(fā)生短路事故，IGBT由飽和導(dǎo)通區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，漏極電流ID并未大幅度增加，但此時(shí)漏極電壓很高，IGBT的功耗很大。短路電流能持續(xù)的時(shí)間t則由漏極功耗所決定。這段時(shí)間與漏極電源電壓UDD、門極電壓UGS及結(jié)溫Tj密切相關(guān)。圖2-93所示為允許短路時(shí)間t和電源電壓UDD的關(guān)系曲線。圖2-93（a）所示為測試電路和UGS、iD的波形，測試條件為：受試元件為50A/1000V的IGBT, RG為24Ω, Tj為25℃, UGS為15V。圖2-93（b）所示為允許短路時(shí)間與電源電壓的關(guān)系曲線，由圖可知，隨著電源電壓的增加，允許短路過電流時(shí)間t減小。在負(fù)載短路過程中，漏極電流iD也隨門極電壓+UGS的增加而增加，并使IGBT允許的短路時(shí)間縮短，允許短路時(shí)間與門極電壓的關(guān)系如圖2-94所示。圖中測試條件為：IGBT為2MBI50—060型模塊，UDD為400V, RG為50Ω, Tj為125℃, UGS為15V。由于允許的短路時(shí)間隨門極電壓的增加而減小，因此，在有短路過程的設(shè)備中，IGBT的+UGS應(yīng)選用所必需的最小值。必須指出，在允許的短路時(shí)間內(nèi)，IGBT工作在放大區(qū)，漏極電流波形與門極輸入電壓波形很相似。圖2-95所示為2MBI50—060型IGBT模塊的試驗(yàn)電路和電壓、電流波形。測試條件為：UGS為20V, UDD為400V。圖2-95（a）為測試電路，圖2-95（b）為UGS與ID的波形，圖2-95（c）為UDS與ID的波形，漏極電壓在短時(shí)間內(nèi)下降之后，很快恢復(fù)到電源電壓UDD的電平。如此高電壓與電流的乘積即為短路功耗，由此決定IGBT的允許短路時(shí)間。

對(duì)IGBT的過電流保護(hù)可采用漏極電壓的識(shí)別方法。如圖2-76所示在正常工作時(shí)IGBT的通態(tài)飽和電壓降Uon與漏極電流ID呈近似線性變化的關(guān)系，識(shí)別Uon的大小即可判斷IGBT漏極電流的大小。由圖可知，IGBT的結(jié)溫升高后，在大電流情況下通態(tài)飽和壓降增加，這種特性有利于過電流識(shí)別保護(hù)。圖2-96所示為過電流保護(hù)電路。漏極電壓與門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)相“與”后輸出過電流信號(hào)，將此過電流信號(hào)反饋至主控電路切斷門極信號(hào)，以保護(hù)IGBT不受損壞。具體應(yīng)用中尚需注意以下兩個(gè)問題。

1．識(shí)別時(shí)間

從識(shí)別出過電流信號(hào)至切斷門極信號(hào)的這段時(shí)間必須小于IGBT允許短路過電流的時(shí)間。前已述及，IGBT對(duì)短路電流的承受能力與其飽和管壓降的大小和門極驅(qū)動(dòng)電壓UGS的大小有很大關(guān)系。飽和壓降越大，短路承受能力越強(qiáng)；UGS越小，短路承受能力越強(qiáng)。對(duì)于飽和壓降為2～3V的IGBT，當(dāng)UGS=15V時(shí)，其短路承受能力僅為5μs。為了有效保護(hù)IGBT，保護(hù)電路必須在2μs內(nèi)動(dòng)作，這樣短的反應(yīng)時(shí)間往往使保護(hù)電路很難區(qū)分究竟是真短路還是“假短路”（如續(xù)流二極管反向恢復(fù)過程，其時(shí)間就在1～2μs之間），這就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性帶來不利的影響。為此，不僅應(yīng)采取快速光耦合器件VL及快速傳送電路，而且有必要利用降低門極電壓以使IGBT承受短路能力增加這一特性。當(dāng)UGS由15V降至10V時(shí)，其短路承受能力則由5μs增至15μs。這樣，保護(hù)電路動(dòng)作就可以延時(shí)10μs。這時(shí)如果短路仍存在，則認(rèn)為是真短路，完全關(guān)斷IGBT；如果短路消失，就是“假短路”，就把UGS由10V恢復(fù)到正常值15V，從而既可有效保護(hù)IGBT，又不誤動(dòng)作。

2．保護(hù)時(shí)的關(guān)斷速度問題

由于IGBT過電流時(shí)電流幅值很大，加之IGBT關(guān)斷速度很快，如果按正常時(shí)的關(guān)斷速度，就會(huì)造成Ldi/dt過大形成很高的尖峰電壓，極易損壞IGBT和設(shè)備中的其他元器件，因此有必要讓IGBT在允許的短路時(shí)間內(nèi)采取措施使IGBT進(jìn)行“慢速關(guān)斷”。當(dāng)檢測到真短路時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路在關(guān)斷IGBT時(shí)，必須讓門極電壓較慢地由15V下降，其原理如圖2-97（a）所示，圖中VT3平時(shí)是導(dǎo)通的，電阻R1不被引入；一旦需要慢速切斷，則VT3截止，IGBT輸入電容通過RG、R1放電，時(shí)間常數(shù)加大，放電速度降低。圖2-97（b）為常態(tài)快速切斷與過電流慢速切斷兩種情況下的漏極電流波形變化示意圖。

另一種過電流保護(hù)電路如圖2-98所示。當(dāng)IGBT的漏極電流小于限流閾值時(shí)，比較器的同相端電位低于反相端電位，其輸出為低電平，MOSFET管VT3關(guān)斷。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，VT2導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)使IGBT導(dǎo)通；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，VT2的寄生二極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)信號(hào)將IGBT關(guān)斷。這時(shí)IGBT僅受驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。

當(dāng)導(dǎo)通的IGBT的源極電流超過限流閾值時(shí)，電流經(jīng)電流互感器T、二極管VD3在電阻R5上產(chǎn)生的壓降傳送到比較器的同相端，其電位將超過反相端電位，比較器輸出由低電平翻轉(zhuǎn)到高電平，VT1導(dǎo)通迅速泄放VT2的柵極電荷，VT2迅速關(guān)斷，關(guān)斷了驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送到IGBT的門極；同時(shí)VT1驅(qū)動(dòng)VT2迅速導(dǎo)通，將IGBT的門極電荷迅速泄放，使IGBT關(guān)斷；正反饋電阻R2使比較器在IGBT過電流被關(guān)斷后保持輸出高電平，以確保IGBT在本次開關(guān)周期內(nèi)不再導(dǎo)通。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，比較器輸出端隨之變?yōu)榈碗娖?，同相端電位下降并低于反相端電位，過電流保護(hù)電路復(fù)位，為下一個(gè)開關(guān)周期的正常運(yùn)行和過電流保護(hù)做好準(zhǔn)備。當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)再次變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，經(jīng)導(dǎo)通的VT2驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，如IGBT的源極電流不超過限流閾值，則過電流保護(hù)電路不動(dòng)作；如電流超過限流閾值，則過電流保護(hù)電路動(dòng)作將IGBT再次關(guān)斷。這樣過電流保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了逐個(gè)脈沖電流限制。電流的限流閾值可通過調(diào)整電阻R5任意設(shè)置，由于采用了逐個(gè)脈沖電流限制，可將限流閾值設(shè)置在最大工作電流的1.1倍，這樣既可確保IGBT在任何負(fù)載狀態(tài)下（包括短路狀態(tài)）電流被限制在限流閾值內(nèi)，又不影響電路正常工作，關(guān)斷應(yīng)力被可靠地限制在很安全的區(qū)域，因此具有較高的可靠性。

前述專用驅(qū)動(dòng)電路都有過電流保護(hù)的功能，如果沒有采用專用驅(qū)動(dòng)電路，可利用美國IR公司推薦的IGBT故障電流限制電路，如圖2-99所示。電路中穩(wěn)壓管VDZ用來產(chǎn)生理想鉗位電壓；二極管VD2截止斷態(tài)負(fù)門極偏置；MOSFET管VTF控制電路的工作狀態(tài)；電阻R1、R2、R3起分壓作用，調(diào)整各電阻值使時(shí)間常數(shù)為τ=[（RG+R1+R2）·R3/（RG+R1+R2+R3）]·Ciss, Ciss是MOSFET的輸入電容；快速二極管VD1是故障傳感元件，它的電壓定額與被保護(hù)的IGBT的電壓定額相同。當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，IGBT的漏極-源極之間出現(xiàn)電源電壓，IGBT退出低通態(tài)電壓方式，故障電流限制電路即可加以檢測。

在正常工作情況下，柵極驅(qū)動(dòng)電壓加至IGBT的柵極-源極之間，使IGBT導(dǎo)通，整個(gè)導(dǎo)通過程的時(shí)間在100ns～2μs之間。最初柵極驅(qū)動(dòng)電壓升到高電平，IGBT仍在斷態(tài)，二極管VD1反偏。柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)開始以時(shí)間常數(shù)τ1決定的速率給VTF的柵極充電。調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)在IGBT導(dǎo)通過程完成以前，使VTF柵極電壓仍然低于其閾值電壓。正常導(dǎo)通時(shí)UDS的拖尾朝低的電平變化。當(dāng)UDS降到低于柵極信號(hào)電平時(shí)，二極管VD1正偏，A點(diǎn)電位開始隨UDS降低，當(dāng)導(dǎo)通過程接近完成時(shí)，A點(diǎn)的電壓減小到幾伏。

如果IGBT在觸發(fā)后存在短路，二極管VD1仍然反偏，VTF的柵極電位繼續(xù)上升，直到VTF導(dǎo)通，IGBT門極信號(hào)被鉗位到低電平，其值主要由穩(wěn)壓管UZ的穩(wěn)壓值決定。通過鉗位柵極電壓到一個(gè)低電平，減小了故障電流的幅值，從而降低IGBT的功耗，延長了器件的短路承受時(shí)間。

利用緩沖電路抑制過電壓的接線方式如圖2-100所示。其中圖（a）適用于50A以下的小容量IGBT，圖（b）適用于200A以下中等容量的IGBT，圖（c）則適用于200A以上大容量IGBT。

IGBT的緩沖電路中，最普通的是放電阻止型緩沖電路，這種緩沖電路的參數(shù)計(jì)算如下：

緩沖電路電容（Cs）可由下式求得

式中 L——主回路雜散電感；

I0——IG B T關(guān)斷時(shí)的漏極電流；

UCEP——緩沖電容Cs的電壓穩(wěn)態(tài)值；

Ed——直流電源電壓。

UC E P由RBSO A確定，必須注意電流不同時(shí)所引起的電壓差異。

緩沖電路電阻Rs的選擇是按希望IGBT在關(guān)斷信號(hào)到來之前，將緩沖電容所積累的電荷放凈?？捎上率焦浪?/p>

式中 f——開關(guān)頻率。

如果緩沖電路電阻過小，會(huì)使電流波動(dòng)，IGBT導(dǎo)通時(shí)的漏極電流初始值將會(huì)增大，因此，在滿足式（2-17）的前提下，希望選取盡可能大的阻值，緩沖電阻上的功耗與其阻值無關(guān)，可由下式求出

式中 Ls——緩沖電路的電感。

2.5.4 IGBT模塊

1.IGBT模塊的主要參數(shù)

IGBT模塊的參數(shù)與IGBT單管的參數(shù)相同。一般情況下，IGBT模塊技術(shù)參數(shù)表格中給出的主要參數(shù)為選擇IGBT模塊時(shí)必須滿足的參數(shù)。

IGBT模塊的主要參數(shù)如下：

（1）額定集電極-發(fā)射極電壓UCER——在室溫下，IGBT所允許的最高集電極-發(fā)射極間電壓，一般為其擊穿電壓U（BR）CEO的60%～80%。

（2）集電極-發(fā)射極飽和電壓UCE（sat）——在室溫下，IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下的飽和壓降。

（3）集電極通態(tài)電流IC——在室溫下，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，集電極允許通過的最大電流的有效值稱為IGBT的額定電流，用ICE表示；而允許通過的峰值電流用ICM表示。在電流脈沖寬度為1μs時(shí)，ICM≈2ICE。

（4）集電極最大功耗PCM——在室溫下，IGBT集電極允許的最大功耗。

2.IGBT模塊結(jié)構(gòu)原理電路

1）一單元IGBT模塊

最常用的一單元IGBT模塊電原理圖如圖2-101所示，三菱公司生產(chǎn)的部分一單元IGBT模塊的主要參數(shù)見表2-3。

2）二單元IGBT模塊

二單元IGBT模塊是由兩個(gè)一單元IGBT模塊組合而成的。二單元IGBT模塊有兩種封裝形式：一種是兩個(gè)一單元IGBT模塊組成橋臂，如圖2-102（a）所示。另一種是兩個(gè)一單元IGBT模塊獨(dú)立封裝在同一模塊內(nèi)，在模塊外連接組成橋臂，如圖2-102（b）所示。兩個(gè)二單元IGBT模塊可以組成單相橋式電路。三個(gè)二單元IGBT模塊可以組成三相橋式電路。國內(nèi)外廠家大批量生產(chǎn)圖2-102（a）所示的二單元IGBT模塊，表2-4僅給出德國西門康生產(chǎn)的（SemikronInternatinalDY.Fritz）部分產(chǎn)品的參數(shù)。

3）四單元IGBT模塊

四單元IGBT模塊主要用于單相橋式電路，其電原理圖如圖2-103所示。四單元IGBT模塊的主要參數(shù)見表2-5。

4）六單元IGBT模塊

六單元IGBT模塊的電原理圖如圖2-104所示。它主要用于三相電壓型橋式整流電路。國內(nèi)外許多廠家生產(chǎn)六單元IGBT模塊，表2-6給出了EUPEC（EuropeanPowerSemiconductorand ElectronicsCompanyGmbH+co.KG）生產(chǎn)的部分六單元IGBT模塊的主要參數(shù)。