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IGBT的特性分析,歡迎與大家探討

目前IGBT在世界范圍內的應用也越來越廣泛了。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。

GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;

MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。

IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT的伏安特性是指以柵極電壓VGE為參變量時,集電極電流IC與集電極電壓VCE之間的關系曲線。IGBT的伏安特性與BJT的輸出特性相似,也可分為飽和區I、放大區II和擊穿區III三部分。IGBT作為開關器件穩態時主要工作在飽和導通區。IGBT的轉移特性是指集電極輸出電流IC與柵極電壓之間的關系曲線。它與MOSFET的轉移特性相同,當柵極電壓VGE小于開啟電壓VGE(th)時,IGBT處于關斷狀態。在IGBT導通后的大部分集電極電流范圍內,IC與VGE呈線性關系。
IGBT與MOSFET的對比:
MOSFET全稱功率場效應晶體管。它的三個極分別是源極(S)、漏極(D)和柵極(G)。
主要優點:熱穩定性好、安全工作區大。
缺點:擊穿電壓低,工作電流小。

下面的資料是我在一家公司時寫的IGBT啟動時的過程,并附有我搭建的IGBT仿真模型分析結果,與理論分析完全一致。

由于本人是學電路出身的,并不是學材料出身的,因此對芯片的認識可能有偏頗的地方。

但是個人認為自然學科都有其相通的地方,我用電路的小信號模型知識也一樣可以解釋IGBT應用中的一些問題。

大家如果有興趣,我再慢慢展開。

 

 

 

 

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yitt
LV.9
2
2013-10-05 11:09

坐沙發上聽課,舒服。

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2013-10-06 17:23

請兄臺針對IGBT的工作損耗及計算深入講解講解啊!呵呵,謝了先!

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zsjzsj
LV.4
4
2013-10-07 12:36
@逆變器學習
請兄臺針對IGBT的工作損耗及計算深入講解講解啊!呵呵,謝了先!
用IGBT是以后做大功率機器的發展趨勢,多研究研究,以后會很有用的,大師們也出來跟我們這些菜鳥講講課,呵呵!
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milandini
LV.4
5
2013-10-08 10:04
@zsjzsj
用IGBT是以后做大功率機器的發展趨勢,多研究研究,以后會很有用的,大師們也出來跟我們這些菜鳥講講課,呵呵![圖片]

針對IGBT的損耗計算以及損耗分布,并且如何初步估計IGBT的結溫變化,我寫了一個簡易工具程序,大家可以參考。

建議大家還是以Infineon的在線計算的結果為準,畢竟他們是經過大量的實驗數據出的結果。

 

上次上傳的計算工具是老版本的,有一些問題,現在已經更新。

2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part1.rar

2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part2.rar

2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part3.rar

2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part4.rar

2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part5.rar

 

 

 

 

 

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hk2007
LV.8
6
2014-01-14 16:38
能否講一下IGBT的驅動及保護問題?
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2014-01-17 10:47
@hk2007
能否講一下IGBT的驅動及保護問題?
好。。也就一下我
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milandini
LV.4
8
2014-01-17 11:21
@hk2007
能否講一下IGBT的驅動及保護問題?

兄弟好,最近比較忙,剛有時間回復。

 

從目前主流IGBT驅動器的產品來看,IGBT驅動器應該具有的基本保護功能主要是:

1、欠壓功能,包括原邊輸入電壓欠壓,副邊(即IGBT端)欠壓功能;

2、短路保護,也叫做退飽和檢測及保護;

3、有源鉗位以及米勒鉗位保護;

 

這三種是最主要的保護功能。各自的側重面不一樣。

 

IGBT的驅動器為什么要設計這些繁瑣的保護功能?這是因為IGBT本身的特性決定的。

IGBT可以看作是在Mosfet芯片的基礎之上再加了一個晶閘管。主要目的是想利用mosfet易驅動易關斷的特點,以及晶閘管皮實耐用的特點。不可否認,IGBT確實繼承了這些優點。

 

從等效模型來看,可以看作輸入為Mosfet,輸出為PNP三極管。

 

不知道您想了解哪方面的技術呢?

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milandini
LV.4
9
2014-01-17 11:31
@milandini
兄弟好,最近比較忙,剛有時間回復。 從目前主流IGBT驅動器的產品來看,IGBT驅動器應該具有的基本保護功能主要是:1、欠壓功能,包括原邊輸入電壓欠壓,副邊(即IGBT端)欠壓功能;2、短路保護,也叫做退飽和檢測及保護;3、有源鉗位以及米勒鉗位保護; 這三種是最主要的保護功能。各自的側重面不一樣。 IGBT的驅動器為什么要設計這些繁瑣的保護功能?這是因為IGBT本身的特性決定的。IGBT可以看作是在Mosfet芯片的基礎之上再加了一個晶閘管。主要目的是想利用mosfet易驅動易關斷的特點,以及晶閘管皮實耐用的特點。不可否認,IGBT確實繼承了這些優點。 從等效模型來看,可以看作輸入為Mosfet,輸出為PNP三極管。 不知道您想了解哪方面的技術呢?

但是由于IGBT芯片較Mosfet復雜,帶來的后果是IGBT的寄生參數大。

且又由于IGBT應用在高電壓大電流的場合,因此過快的di/dt或dv/dt再結合IGBT本身較大的寄生參數,問題就出來了。

 

因此必須要在IGBT驅動器上下功夫。而IGBT驅動器本身又是電路組成,會引入干擾和寄生參數,尤其是在高頻共模騷擾的情況下,會引起IGBT損壞。IGBT驅動器的設計是難點。

原理并不難。

難得是如何處理減小寄生參數以及共模騷擾等的影響。

 

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evike
LV.2
10
2014-01-17 13:17
@milandini
兄弟好,最近比較忙,剛有時間回復。 從目前主流IGBT驅動器的產品來看,IGBT驅動器應該具有的基本保護功能主要是:1、欠壓功能,包括原邊輸入電壓欠壓,副邊(即IGBT端)欠壓功能;2、短路保護,也叫做退飽和檢測及保護;3、有源鉗位以及米勒鉗位保護; 這三種是最主要的保護功能。各自的側重面不一樣。 IGBT的驅動器為什么要設計這些繁瑣的保護功能?這是因為IGBT本身的特性決定的。IGBT可以看作是在Mosfet芯片的基礎之上再加了一個晶閘管。主要目的是想利用mosfet易驅動易關斷的特點,以及晶閘管皮實耐用的特點。不可否認,IGBT確實繼承了這些優點。 從等效模型來看,可以看作輸入為Mosfet,輸出為PNP三極管。 不知道您想了解哪方面的技術呢?

有源鉗位,和米勒鉗位是一個東西嗎?我看concept在集電極通過一串TVS引入門極(或者驅動核)。英飛凌的驅動ic有一個clamp腳用來連接到門極,防止寄生開通。我覺得英飛凌的這種是米勒鉗位,有源鉗位是指concept的。請樓主指點其中要點,謝謝。補充一點,上面的工具下載提示缺少卷

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milandini
LV.4
11
2014-01-17 16:27
@evike
有源鉗位,和米勒鉗位是一個東西嗎?我看concept在集電極通過一串TVS引入門極(或者驅動核)。英飛凌的驅動ic有一個clamp腳用來連接到門極,防止寄生開通。我覺得英飛凌的這種是米勒鉗位,有源鉗位是指concept的。請樓主指點其中要點,謝謝。補充一點,上面的工具下載提示缺少卷

您說的有道理,我暫時修正一下,等我思考一下再回復。

 

目前業界關于米勒鉗位和有源鉗位有一些文章。

 

飛兆的有源米勒鉗位

http://www.fairchildsemi.com.cn/an/AN/AN-5073.pdf

AVAGO的米勒鉗位

http://wenku.baidu.com/view/b95e208c6529647d27285259.html

CONCEPT的有源鉗位

http://www.docin.com/p-604106067.html

 

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陳海東
LV.1
12
2014-01-25 13:59
@milandini
您說的有道理,我暫時修正一下,等我思考一下再回復。 目前業界關于米勒鉗位和有源鉗位有一些文章。 飛兆的有源米勒鉗位http://www.fairchildsemi.com.cn/an/AN/AN-5073.pdfAVAGO的米勒鉗位http://wenku.baidu.com/view/b95e208c6529647d27285259.htmlCONCEPT的有源鉗位http://www.docin.com/p-604106067.html 
我覺得有源鉗位是由于IGBT自身在關閉或者過壓、過流的情況下產生的異常高壓導致IGBT的門極電源過高造成對IGBT的損害,通過 鉗位電路控制在一定范圍內,米勒鉗位通過avago的資料可以看出是由于上橋臂的動作通過米勒電容對下橋臂的產生一個電流,然后通過一個回路流到地后產生一個電位差,這個電位差如果沒有負壓的牽制很容易開啟下橋臂的導通。avago的ACPL-33X系列的P-10 V clamp的腳位就是進行檢測控制的,其工作原理是:一旦VOUT 關閉后就開啟放點回路,通過內置mosfet 進行吸收電流 ACPL-332J 吸收能力為1.7A 。但是如果功率比較大超過1.7A 則還是建議客戶采用負壓控制比較穩妥。所以ACPL-332J一般是用于小功率單電源供電系統驅動IGBT的時候推薦使用的,一旦功率過大則直接將該pin 接地,然后采用負壓控制!
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milandini
LV.4
13
2014-03-15 12:00
@陳海東
我覺得有源鉗位是由于IGBT自身在關閉或者過壓、過流的情況下產生的異常高壓導致IGBT的門極電源過高造成對IGBT的損害,通過鉗位電路控制在一定范圍內,米勒鉗位通過avago的資料可以看出是由于上橋臂的動作通過米勒電容對下橋臂的產生一個電流,然后通過一個回路流到地后產生一個電位差,這個電位差如果沒有負壓的牽制很容易開啟下橋臂的導通。avago的ACPL-33X系列的P-10Vclamp的腳位就是進行檢測控制的,其工作原理是:一旦VOUT關閉后就開啟放點回路,通過內置mosfet進行吸收電流ACPL-332J吸收能力為1.7A。但是如果功率比較大超過1.7A則還是建議客戶采用負壓控制比較穩妥。所以ACPL-332J一般是用于小功率單電源供電系統驅動IGBT的時候推薦使用的,一旦功率過大則直接將該pin接地,然后采用負壓控制!
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2014-03-20 11:27

目前來看,IGBT的開關損耗比MOS要大,尤其是頻率超過50K以后!相對低頻的開關,IGBT在各個功率段表現都還是很好的!

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milandini
LV.4
15
2014-03-21 13:02
@zhang_min9861
目前來看,IGBT的開關損耗比MOS要大,尤其是頻率超過50K以后!相對低頻的開關,IGBT在各個功率段表現都還是很好的!

是這樣的,IGBT最適合的頻段在幾十KHz以下 。

不過隨著芯片技術的提高,目前單管IGBT可以工作在100KHz以上。

大功率IGBT模塊還不能用在過高的頻率,除非設計時考慮一定的降額處理(主要是減少通態損耗),可以勉強使工作在更高一些的頻段。但當工作頻段過高時,這時絕大多數損耗是開關損耗,即使通態損耗等于零,開關損耗也有可能使IGBT的結溫超過datasheet規定的最大值,從而使IGBT過溫損壞。

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2015-03-20 23:31
@milandini
針對IGBT的損耗計算以及損耗分布,并且如何初步估計IGBT的結溫變化,我寫了一個簡易工具程序,大家可以參考。建議大家還是以Infineon的在線計算的結果為準,畢竟他們是經過大量的實驗數據出的結果。 上次上傳的計算工具是老版本的,有一些問題,現在已經更新。2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part1.rar2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part2.rar2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part3.rar2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part4.rar2.北京晶川電子銷售工程師簡易熱仿真計算輔助工具.part5.rar     

您好工程師先生,我欽佩您的技術功底。現在我也得入門光伏逆變的電力電子技術了。因此需要得到些指點。我是微電子方面專業的。我想問問像學習光伏并網逆變需要哪些基礎課程?希望推薦幾本書。

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