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IGBT的特性分析,欢迎与大家探讨

目前IGBT在世界范围内的应用也越来越广泛了。

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GTR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。

IGBT的伏安特性是指以栅极电压VGE为参变量时,集电极电流IC与集电极电压VCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性与BJT的输出特性相似,也可分为饱和区I、放大区II和击穿区III三部分。IGBT作为开关器件稳态时主要工作在饱和导通区。IGBT的转移特性是指集电极输出电流IC与栅极电压之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同,当栅极电压VGE小于开启电压VGE(th)时,IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内,IC与VGE呈线性关系。
IGBT与MOSFET的对比:
MOSFET全称功率场效应晶体管。它的三个极分别是源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。
主要优点:热稳定性好、安全工作区大。
缺点:击穿电压低,工作电流小。

下面的资料是我在一家公司时写的IGBT启动时的过程,并附有我搭建的IGBT仿真模型分析结果,与理论分析完全一致。

由于本人是学电路出身的,并不是学材料出身的,因此对芯片的认识可能有偏颇的地方。

但是个人认为自然学科都有其相通的地方,我用电路的小信号模型知识也一样可以解释IGBT应用中的一些问题。

大家如果有兴趣,我再慢慢展开。

 

 

 

 

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

坐沙发上听课,舒服。

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2013-10-06 17:23

请兄台针对IGBT的工作损耗及计算深入讲解讲解啊!呵呵,谢了先!

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zsjzsj
LV.4
4
2013-10-07 12:36
@逆变器学习
请兄台针对IGBT的工作损耗及计算深入讲解讲解啊!呵呵,谢了先!
用IGBT是以后做大功率机器的发展趋势,多研究研究,以后会很有用的,大师们也出来跟我们这些菜鸟讲讲课,呵呵!
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milandini
LV.4
5
2013-10-08 10:04
@zsjzsj
用IGBT是以后做大功率机器的发展趋势,多研究研究,以后会很有用的,大师们也出来跟我们这些菜鸟讲讲课,呵呵![图片]

针对IGBT的损耗计算以及损耗分布,并且如何初步估计IGBT的结温变化,我写了一个简易工具程序,大家可以参考。

建议大家还是以Infineon的在线计算的结果为准,毕竟他们是经过大量的实验数据出的结果。

 

上次上传的计算工具是老版本的,有一些问题,现在已经更新。

2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part1.rar

2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part2.rar

2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part3.rar

2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part4.rar

2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part5.rar

 

 

 

 

 

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hk2007
LV.8
6
2014-01-14 16:38
能否讲一下IGBT的驱动及保护问题?
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2014-01-17 10:47
@hk2007
能否讲一下IGBT的驱动及保护问题?
好。。也就一下我
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milandini
LV.4
8
2014-01-17 11:21
@hk2007
能否讲一下IGBT的驱动及保护问题?

兄弟好,最近比较忙,刚有时间回复。

 

从目前主流IGBT驱动器的产品来看,IGBT驱动器应该具有的基本保护功能主要是:

1、欠压功能,包括原边输入电压欠压,副边(即IGBT端)欠压功能;

2、短路保护,也叫做退饱和检测及保护;

3、有源钳位以及米勒钳位保护;

 

这三种是最主要的保护功能。各自的侧重面不一样。

 

IGBT的驱动器为什么要设计这些繁琐的保护功能?这是因为IGBT本身的特性决定的。

IGBT可以看作是在Mosfet芯片的基础之上再加了一个晶闸管。主要目的是想利用mosfet易驱动易关断的特点,以及晶闸管皮实耐用的特点。不可否认,IGBT确实继承了这些优点。

 

从等效模型来看,可以看作输入为Mosfet,输出为PNP三极管。

 

不知道您想了解哪方面的技术呢?

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milandini
LV.4
9
2014-01-17 11:31
@milandini
兄弟好,最近比较忙,刚有时间回复。 从目前主流IGBT驱动器的产品来看,IGBT驱动器应该具有的基本保护功能主要是:1、欠压功能,包括原边输入电压欠压,副边(即IGBT端)欠压功能;2、短路保护,也叫做退饱和检测及保护;3、有源钳位以及米勒钳位保护; 这三种是最主要的保护功能。各自的侧重面不一样。 IGBT的驱动器为什么要设计这些繁琐的保护功能?这是因为IGBT本身的特性决定的。IGBT可以看作是在Mosfet芯片的基础之上再加了一个晶闸管。主要目的是想利用mosfet易驱动易关断的特点,以及晶闸管皮实耐用的特点。不可否认,IGBT确实继承了这些优点。 从等效模型来看,可以看作输入为Mosfet,输出为PNP三极管。 不知道您想了解哪方面的技术呢?

但是由于IGBT芯片较Mosfet复杂,带来的后果是IGBT的寄生参数大。

且又由于IGBT应用在高电压大电流的场合,因此过快的di/dt或dv/dt再结合IGBT本身较大的寄生参数,问题就出来了。

 

因此必须要在IGBT驱动器上下功夫。而IGBT驱动器本身又是电路组成,会引入干扰和寄生参数,尤其是在高频共模骚扰的情况下,会引起IGBT损坏。IGBT驱动器的设计是难点。

原理并不难。

难得是如何处理减小寄生参数以及共模骚扰等的影响。

 

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evike
LV.2
10
2014-01-17 13:17
@milandini
兄弟好,最近比较忙,刚有时间回复。 从目前主流IGBT驱动器的产品来看,IGBT驱动器应该具有的基本保护功能主要是:1、欠压功能,包括原边输入电压欠压,副边(即IGBT端)欠压功能;2、短路保护,也叫做退饱和检测及保护;3、有源钳位以及米勒钳位保护; 这三种是最主要的保护功能。各自的侧重面不一样。 IGBT的驱动器为什么要设计这些繁琐的保护功能?这是因为IGBT本身的特性决定的。IGBT可以看作是在Mosfet芯片的基础之上再加了一个晶闸管。主要目的是想利用mosfet易驱动易关断的特点,以及晶闸管皮实耐用的特点。不可否认,IGBT确实继承了这些优点。 从等效模型来看,可以看作输入为Mosfet,输出为PNP三极管。 不知道您想了解哪方面的技术呢?

有源钳位,和米勒钳位是一个东西吗?我看concept在集电极通过一串TVS引入门极(或者驱动核)。英飞凌的驱动ic有一个clamp脚用来连接到门极,防止寄生开通。我觉得英飞凌的这种是米勒钳位,有源钳位是指concept的。请楼主指点其中要点,谢谢。补充一点,上面的工具下载提示缺少卷

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milandini
LV.4
11
2014-01-17 16:27
@evike
有源钳位,和米勒钳位是一个东西吗?我看concept在集电极通过一串TVS引入门极(或者驱动核)。英飞凌的驱动ic有一个clamp脚用来连接到门极,防止寄生开通。我觉得英飞凌的这种是米勒钳位,有源钳位是指concept的。请楼主指点其中要点,谢谢。补充一点,上面的工具下载提示缺少卷

您说的有道理,我暂时修正一下,等我思考一下再回复。

 

目前业界关于米勒钳位和有源钳位有一些文章。

 

飞兆的有源米勒钳位

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

AVAGO的米勒钳位

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

CONCEPT的有源钳位

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

 

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陈海东
LV.1
12
2014-01-25 13:59
@milandini
您说的有道理,我暂时修正一下,等我思考一下再回复。 目前业界关于米勒钳位和有源钳位有一些文章。 飞兆的有源米勒钳位http://www.fairchildsemi.com.cn/an/AN/AN-5073.pdfAVAGO的米勒钳位http://wenku.baidu.com/view/b95e208c6529647d27285259.htmlCONCEPT的有源钳位http://www.docin.com/p-604106067.html 
我觉得有源钳位是由于IGBT自身在关闭或者过压、过流的情况下产生的异常高压导致IGBT的门极电源过高造成对IGBT的损害,通过 钳位电路控制在一定范围内,米勒钳位通过avago的资料可以看出是由于上桥臂的动作通过米勒电容对下桥臂的产生一个电流,然后通过一个回路流到地后产生一个电位差,这个电位差如果没有负压的牵制很容易开启下桥臂的导通。avago的ACPL-33X系列的P-10 V clamp的脚位就是进行检测控制的,其工作原理是:一旦VOUT 关闭后就开启放点回路,通过内置mosfet 进行吸收电流 ACPL-332J 吸收能力为1.7A 。但是如果功率比较大超过1.7A 则还是建议客户采用负压控制比较稳妥。所以ACPL-332J一般是用于小功率单电源供电系统驱动IGBT的时候推荐使用的,一旦功率过大则直接将该pin 接地,然后采用负压控制!
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milandini
LV.4
13
2014-03-15 12:00
@陈海东
我觉得有源钳位是由于IGBT自身在关闭或者过压、过流的情况下产生的异常高压导致IGBT的门极电源过高造成对IGBT的损害,通过钳位电路控制在一定范围内,米勒钳位通过avago的资料可以看出是由于上桥臂的动作通过米勒电容对下桥臂的产生一个电流,然后通过一个回路流到地后产生一个电位差,这个电位差如果没有负压的牵制很容易开启下桥臂的导通。avago的ACPL-33X系列的P-10Vclamp的脚位就是进行检测控制的,其工作原理是:一旦VOUT关闭后就开启放点回路,通过内置mosfet进行吸收电流ACPL-332J吸收能力为1.7A。但是如果功率比较大超过1.7A则还是建议客户采用负压控制比较稳妥。所以ACPL-332J一般是用于小功率单电源供电系统驱动IGBT的时候推荐使用的,一旦功率过大则直接将该pin接地,然后采用负压控制!
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2014-03-20 11:27

目前来看,IGBT的开关损耗比MOS要大,尤其是频率超过50K以后!相对低频的开关,IGBT在各个功率段表现都还是很好的!

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milandini
LV.4
15
2014-03-21 13:02
@zhang_min9861
目前来看,IGBT的开关损耗比MOS要大,尤其是频率超过50K以后!相对低频的开关,IGBT在各个功率段表现都还是很好的!

是这样的,IGBT最适合的频段在几十KHz以下 。

不过随着芯片技术的提高,目前单管IGBT可以工作在100KHz以上。

大功率IGBT模块还不能用在过高的频率,除非设计时考虑一定的降额处理(主要是减少通态损耗),可以勉强使工作在更高一些的频段。但当工作频段过高时,这时绝大多数损耗是开关损耗,即使通态损耗等于零,开关损耗也有可能使IGBT的结温超过datasheet规定的最大值,从而使IGBT过温损坏。

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2015-03-20 23:31
@milandini
针对IGBT的损耗计算以及损耗分布,并且如何初步估计IGBT的结温变化,我写了一个简易工具程序,大家可以参考。建议大家还是以Infineon的在线计算的结果为准,毕竟他们是经过大量的实验数据出的结果。 上次上传的计算工具是老版本的,有一些问题,现在已经更新。2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part1.rar2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part2.rar2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part3.rar2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part4.rar2.北京晶川电子销售工程师简易热仿真计算辅助工具.part5.rar     

您好工程师先生,我钦佩您的技术功底。现在我也得入门光伏逆变的电力电子技术了。因此需要得到些指点。我是微电子方面专业的。我想问问像学习光伏并网逆变需要哪些基础课程?希望推荐几本书。

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