IGBT的工作原理和电路分析
eeskill 2022-09-30

IGBT(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。

目前国内缺乏高质量IGBT模块,几乎全部靠进口。绝缘栅双极晶体管(IGBT)是高压开关家族中最为年轻的一位。由一个15V高阻抗电压源即可便利的控制电流流通器件从而可达到用较低的控制功率来控制高电流。

IGBT的工作原理和作用通俗易懂版:

IGBT就是一个开关,非通即断,如何控制他的通还是断,就是靠的是栅源极的电压,当栅源极加+12V(大于6V,一般取12V到15V)时IGBT导通,栅源极不加电压或者是加负压时,IGBT关断,加负压就是为了可靠关断。

IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。

IGBT有三个端子,分别是G,D,S,在G和S两端加上电压后,内部的电子发生转移(半导体材料的特点,这也是为什么用半导体材料做电力电子开关的原因),本来是正离子和负离子一一对应,半导体材料呈中性,但是加上电压后,电子在电压的作用下,累积到一边,形成了一层导电沟道,因为电子是可以导电的,变成了导体。如果撤掉加在GS两端的电压,这层导电的沟道就消失了,就不可以导电了,变成了绝缘体。

IGBT的工作原理和作用电路分析版:

IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。

图1 IGBT的等效电路

由此可知,IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定:

--IGBT栅极与发射极之间的电压;

--IGBT集电极与发射极之间的电压;

--流过IGBT集电极-发射极的电流;

--IGBT的结温。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低,则IGBT不能稳定正常地工作,如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏;同样,如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压,流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的最大电流,IGBT的结温超过其结温的允许值,IGBT都可能会永久性损坏。

绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)IGBT串联谐振式电压型逆变器的工作原理

该电源采用半桥结构串联谐振逆变电路,主电路原理如图所示。在大功率IGBT谐振式逆变电路中,主电路的结构对整个产品的性能十分重要,由于电路中存在引线寄生电感,IGBT开关动作时在电感上激起的浪涌尖峰电压Ldi/dt不可忽视,由于本电源采用的是半桥逆变电路,相对全桥电路来说,将产生比全桥电路更大的di/dt。正确设计过压保护即缓冲电路,对IGBT的正常工作十分重要。如果缓冲电路设计不当,将造成缓冲电路损耗增大,会导致电路发热严重,容易损坏元件,不利于长期工作。为了给无功电流提供通路,ICBT必须反并联快速二极管,在电压型逆变器中,为了避免开关器件因Cd的短路电流而损坏,在开关器件换流过程中,上、下桥臂ICBT必须遵守先关断后开通原则,即应留有死区时间(T。)。

IGBT串联谐振式电压型逆变工作过程如下:

当VT2开通时,随着电流的上升,在线路杂散电感Lm的作用下,使得Uab下降到Vcc-Ldi/dt,此时前一工作周期以被充电到Vcc的缓冲电容C1,通过VT1的反并联二极管VD1、VT2和缓冲电阻R2放电。在缓冲电路中,流过反并联二极管VD1的瞬时导通电流ID1为流过线路杂散电感电流IL和流过缓冲电容C1的电流IC之和。即ID1=IL+IC,因此IL和di/dt相对于无缓冲电路要小得多。当VT1关断时,由于线路杂散电感Lm的作用,使Uce迅速上升,并大于母线电压Vcc,这时缓冲二极管VD1正向偏置,Lm中的储能(LmI2/2)向缓冲电路转移,缓冲电路吸收了贮能,不会造成Uce的明显上升。

由于负载电路是采用品质因数为Q的LC串联谐振电路,因而加在三和C上的电压是逆变器输出基波电压的Q倍,负载电流则与逆变器的输出电流相同。这样,串联谐振电路的自身成了电流源。逆变器的输出电压与负载无关,其值等于由C。保持恒定的电压。因此,由于受已成电流源的负载的影响。在死区时间中,电流会通过IGBT的反并联二极管继续流通,这种逆变器具有如下特征。

(1)容易投入负载电力。配线电感可以和负载电感相抵,又有Cd的作用,因而即使是低压电路,在谐振频率附近工作,也能注入很大电流。感应加热负载的等效阻抗多为几十m0,如果逆变器的直流电压为几百V,就足以给出几百kW的电力。它的这一特征表明,采用低压开关器件并联,就可构成这种系统,因而实用性强。

(2)负载匹配容易。选择开关器件,必须考虑最合适的电流和电压。为了便于实现负载匹配,逆变器一艘都通过匹配变压器输出。可以通过调整匹配变压器的初次级线圈匝比来获得必要的负载电力所需的负载电压以及满足开关器件的最佳工作电压要求。而在设计时,只要把匹配变压器的漏感简单地加进负载电感就可达到目的,设计的自由度大。在缓冲电路的元件选择中,电容要选择耐压较高的电容,二极管最好选择高性能的快恢复二极管,电阻要用无感电阻。

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