IGBT基本工作原理及IGBT的作用是什么?

IGBT由栅极(G)、发射(E)和集电极(C)三个极控制。如图1,IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电,使IGBT关断。由图2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 结构图

图2 IGBT电气符(左)与等效的电路图(

如果IGBT栅极与发射极之间的电压,即驱动电压过低则IGBT不能稳定的工作,如果过高甚至超过栅极—发射极之间的耐压,则IGBT可能会永久损坏。同样,如果IGBT集电极与发射极之间的电压超过允许值,则流过IGBT的电流会超限,导致IGBT的结温超过允许值,此时IGBT也有可能会永久损坏。

IGBT的作用

IGBT是一种功率晶体管,运用此种晶体设计之UPS可有效提升产品效能,使电源品质好、效率高、热损耗少、噪音低、体积小与产品寿命长等多种优点。

IGBT主要用于变频器逆变和其他逆变电路。将直流电压逆变成频率可调的交流电。它有阴极,阳极,和控制极。关断的时候其阻抗是非常大的基本是断路,接通的时候存在很小的电阻,通过接通或断开控制极来控制阴极和阳极之间的接通和关断。

IGBT选型四个基本要求

1、安全工作区

在安全上面,主要指的就是电的特性,除了常规的变压电流以外,还有RBSOA(反向偏置安全工作区)和短路时候的保护。这个是开通和关断时候的波形,这个是相关的开通和关断时候的定义。我们做设计时结温的要求,比如长期工作必须保证温度在安全结温之内,做到这个保证的前提是需要把这个模块相关的应用参数提供出来。这样结合这个参数以后,结合选择的IGBT的芯片,还有封装和电流,来计算产品的功耗和结温,是否满足安全结温的需求。

2、热限制

热限制就是我们脉冲功,时间比较短,它可能不是一个长期的工作点,可能突然增加,这个时候就涉及到另外一个指标,动态热阻,我们叫做热阻抗。这个波动量会直接影响到IGBT的可靠性,就是寿命问题。你可以看到50赫兹波动量非常小,这个寿命才长。

3、封装要求

封装要求主要体现在外部封装材料上面,在结构上面,其实也会和封装相关,因为设计的时候会布局和结构的问题,不同的设计它的差异性很大。

4、可靠性要求

可靠性问题,刚才说到结温波动,其中最担心就是结温波动以后,会影响到这个绑定线和硅片之间的焊接,时间久了,这两种材料本身之间的热抗系数都有差异,所以在结温波动情况下,长时间下来,如果工艺不好的话,就会出现裂痕甚至断裂,这样就会影响保护压降,进一步导致ICBT失效。第二个就是热循环,主要体现在硅片和DCB这个材料之间,他们之间的差异性。如果失效了以后,就分层了,材料与材料之间特性不一样,就变成这样情况的东西,这个失效很明显。

IGBT如何选型

1、IGBT额定电压的选择

三相380V输入电压经过整流和滤波后,直流母线电压的最大值:在开关工作的条件下,IGBT的额定电压一般要求高于直流母线电压的两倍,根据IGBT规格的电压等级,选择1200V电压等级的IGBT。

2、IGBT额定电流的选择

以30kW变频器为例,负载电流约为79A,由于负载电气启动或加速时,电流过载,一般要求1分钟的时间内,承受1.5倍的过流,择最大负载电流约为119A ,建议选择150A电流等级的IGBT。

3、IGBT开关参数的选择

变频器的开关频率一般小于10kHZ,而在实际工作的过程中,IGBT的通态损耗所占比重比较大,建议选择低通态型IGBT。

影响IGBT可靠性因素

1)栅电压

IGBT工作时,必须有正向栅电压,常用的栅驱动电压值为15~187,最高用到20V, 而棚电压与栅极电阻Rg有很大关系,在设计IGBT驱动电路时, 参考IGBT Datasheet中的额定Rg值,设计合适驱动参数,保证合理正向栅电压。因为IGBT的工作状态与正向棚电有很大关系,正向栅电压越高,开通损耗越小,正向压降也越小。

2)Miller效应

为了降低Miller效的影响,在IGBT栅驱动电路中采用改进措施:(1)开通和关断采用不同栅电阻Rg,ON和Rg,off,确保IGBT的有效开通和关断;(2)栅源间加电容c,对Miller效应产生的电压进行能量泄放;(3)关断时加负栅压。在实际设计中,采用三者合理组合,对改进Mille r效的效果更佳。

IGBT使用注意事项

(1)操作过程中要佩戴防静电手环;

(2)尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸;

(3)IGBT模块驱动端子上的黑色海绵是防静电材料,用户用接插件引线时取下防静电材料立即插上引线;

(4)在焊接作业时,设备容易引起静电的产生,为了防止静电的产生,请先将设备处于良好的接地状态下。

IGBT如何保管

1、一般保存IGBT模块的场所,应保持常温常湿状态,不应偏离太大。常温的规定为5℃~35℃,常湿的规定为45%~75%。在冬天特别干燥的地区,需要加湿机加湿。

2、尽量远离有腐蚀性气或灰尘较多的场合。

3、在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象,因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方。

4、IGBT模块在未投入生产时不要裸露放置,防止端子氧化情况的发生。

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