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IGBT模塊的工作原理分析
2018-08-08

  變頻器IGBT模塊 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給 PNP 晶體管提供基極電流,使 IGBT 導(dǎo)通。反之,加反向門極電壓消除溝道,流過反向基極電流,使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動(dòng)方法和 MOSFET 基本相同,只需控制輸入極 N 一溝道 MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。

  當(dāng) MOSFET 的溝道形成后,從 P+ 基極注入到 N 一層的空穴(少子),對(duì) N 一層進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制,減小 N 一層的電阻,使 IGBT 在高電壓 時(shí),也具有低的通態(tài)電壓。

  變頻器IGBT 模塊的工作特性的分類:

  1.靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和 開關(guān)特性。

  IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時(shí),漏極電流與 柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs 的控 制, Ugs 越高, Id 越大。它與 GTR 的輸出特性相似.也可分為飽和 區(qū) 1 、放大區(qū) 2 和擊穿特性 3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的 IGBT ,正向電 壓由 J2 結(jié)承擔(dān),反向電壓由 J1 結(jié)承擔(dān)。如果無 N+ 緩沖區(qū),則正反 向阻斷電壓可以做到同樣水平,加入 N+ 緩沖區(qū)后,反向關(guān)斷電壓只 能達(dá)到幾十伏水平,因此限制了 IGBT 的某些應(yīng)用范圍。

  IGBT模塊 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的 關(guān)系曲線。它與 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同,當(dāng)柵源電壓小于開啟電 壓 Ugs(th) 時(shí), IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電 流范圍內(nèi), Id 與 Ugs 呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限 制,其最佳值一般取為 15V 左右。

  IGBT 模塊的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。 IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí),由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管,所以其 B 值 極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu),但流過 MOSFET 的電流成為 IGBT 總電流的主要部分。此時(shí),通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示

  Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh ( 2 - 14 )

  式中 Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓,其值為 0.7 ~ IV ;

  Udr ——擴(kuò)展電阻 Rdr 上的壓降;

  Roh ——溝道電阻。

  通態(tài)電流 Ids 可用下式表示:

  Ids=(1+Bpnp)Imos (2 - 15 )

  式中 Imos ——流過 MOSFET 的電流。不銹鋼門

  由于 N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),所以 IGBT 的通態(tài)壓降小,耐壓 1000V 的 IGBT 通態(tài)壓降為 2 ~ 3V 。

  IGBT 處于斷態(tài)時(shí),只有很小的泄漏電流存在。

  2 .動(dòng)態(tài)特性 IGBT 模塊在開通過程中,大部分時(shí)間是作為 MOSFET 來運(yùn)行的,只是在漏源電壓 Uds 下降過程后期, PNP 晶體 管由放大區(qū)至飽和,又增加了一段延遲時(shí)間。 td(on) 為開通延遲時(shí)間, tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間 ton 即為 td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時(shí)間由 tfe1 和 tfe2 組成,如圖 2 - 58 所示

  變頻器IGBT 模塊在關(guān)斷過程中,漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)?MOSFET 關(guān)斷后, PNP 晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除,造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間, td(off) 為關(guān)斷延遲時(shí)間, trv 為電壓 Uds(f) 的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間 Tf的 t(f1) 和 t(f2) 兩段組成,而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間t(off)=td(off)+trv 十 t(f) ( 2 - 16 )式中, td(off) 與 trv 之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。

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