IGBT與MOS管的區別,IGBT與可控硅的區別,IGBT驅動電路設計

   

目錄

   

IGBT和MOS管的區別:

IGBT和可控硅的區別:

IGBT驅動電路設計:

1、IGBT驅動電路的設計

2、IGBT驅動器的選擇

3、IGBT驅動電路的設計


IGBT和MOS管的區別:

  IIGBT在結構上是NPN行MOSFET增加一個P結,即NPNP結構,在原理上是MOS推動的P型BJT
多的這個P層因內有載流子,有電導調製作用,可以使IGBT在跟高電壓和電流下,有很低的壓降,因此IGBT可以做到很高電壓(目前最大6500V),但由於載流子存在,IGBT關斷是電流會拖尾,關斷速度會減低;
MOS就是MOSFET的簡稱了;
IGBT和MOS是全控器件,是電壓型驅動,即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件;

1,由於MOSFET的結構,通常它可以做到電流很大,可以到上KA,但是前提耐壓能力沒有IGBT強。

2,IGBT可以做很大功率,電流和電壓都可以,就是一點頻率不是太高,目前IGBT硬開關速度可以到100KHZ,那已經是不錯了.不過相對於MOSFET的工作頻率還是九牛一毛,MOSFET可以工作到幾百KHZ,上MHZ,以至幾十MHZ,射頻領域的產品.

3,就其應用,根據其特點:MOSFET應用於開關電源,鎮流器,高頻感應加熱,高頻逆變焊機,通信電源等等高頻電源領域;IGBT集中應用於焊機,逆變器,變頻器,電鍍電解電源,超音頻感應加熱等領域

開關電源 (Switch Mode Power Supply;SMPS) 的性能在很大程度上依賴於功率半導體器件的選擇,即開關管和整流器。

雖然沒有萬全的方案來解決選擇IGBT還是MOSFET的問題,但針對特定SMPS應用中的IGBT 和 MOSFET進行性能比較,確定關鍵參數的範圍還是能起到一定的參考作用

IGBT和可控硅的區別:

  可控硅是可控硅整流元件的簡稱,亦稱爲晶閘管。是一種具有三個PN 結的四層結構的大功率半導體器件,一般由兩晶閘管反向連接而成.它的功用不僅是整流,還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路,實現將直流電變成交流電的逆變,將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等。可控硅具有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優點。多用來作可控整流、逆變、變頻、調壓、無觸點開關等。家用電器中的調光燈、調速風扇、空調機、電視機、電冰箱、洗衣機、照相機、組合音響、聲光電路、定時控制器、玩具裝置、無線電遙控、攝像機及工業控制等都大量使用了可控硅器件。 

        IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型功率管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的複合全控型電壓驅動式電力半導體器件, 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。非常適合應用於直流電壓爲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與可控硅相比各有優點,前者是可控制開-關元件,後者大多數是隻能控制開,不能控制關(現在有可關斷可控硅了)。受元件製造工藝和工作原理等影響,前者可在較高頻率下工作(最高25KHz左右),後者大多在5KHz以內,這個是前者比後者的優點。但是前者相比的缺點是成本高,製造工藝複雜,在高壓大電流元件的製造上,還達不到可控硅的能力,並且在抗過載能力上遠遠不及可控硅。但是隨着製造工藝的進步,短路保護的日趨完善,前者在元件成本上已經大大下降,在很多場合與可控硅相比價格完全可以接受,並且由於控制靈活方便,能取消可控硅電路的關斷電路等,在很多場合完全可以替代可控硅,並且性能更好。所以現在很多原來使用可控硅的設備逐漸改用IGBT 了,不能用是不是中頻來判斷IGBT 或可控硅了。 
KVA:一般是指視在功率,KW:有功功率 

IGBT驅動電路設計:

  IGBT驅動電路的作用是驅動IGBT模塊以能讓其正常工作,同時對IGBT模塊進行保護。IGBT 驅動電路的作用對整個IGBT構成的系統來說至關重要。IGBT是電路的核心器件,它可在高壓下導通,並在大電流下關斷,在硬開關橋式電路中,功率器件IGBT能否正確可靠地使用起着至關重要的作用。驅動電路就是將控制電路輸出的PWM信號進行功率放大,以滿足驅動IGBT的要求,驅動電路設計的是否合理直接關係到IGBT的安全、可靠使用。IGBT驅動電路還爲IGBT器件提供門極過壓、短路保護、過流保護、過溫保護、Vce過壓保護(有源鉗位)、門極欠壓保護,didt保護(短路過流保護的一種)。

1、IGBT驅動電路的設計

  1. 設計IGBT驅動電路需要考慮的性能參數

  1)IGBT在電路中承受的正反向峯值電壓,可以由下面的公式導出:

多的這個P層因內有載流子,有電導調製作用,可以使IGBT在跟高電壓和電流下,有很低的壓降,因此IGBT可以做到很高電壓(目前最大6500V),但由於載流子存在,IGBT關斷是電流會拖尾,關斷速度會減低;MOS就是MOSFET的簡稱了;IGBT和MOS是全控器件,是電壓型驅動,即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件;可控硅是半控器件,電流型驅動,即給柵極通一定的電流,可以是可控硅開通,但是一旦開通,就不受柵極控制,將柵極的電壓電流信號去除,仍然保持開通,只用流過可控硅的電流減小,或可控硅AK兩端加反壓,才能關斷;IGBT和MOS頻率可以做到幾十上百KHz,但可控硅一般在1KHz以內。

  設計驅動電路時需要考慮到2-2.5倍的安全係數,可選IGBT的電壓爲1200V。

  2)在電路中IGBT導通時需要承受的峯值電流,可以由下面的公式導出:

多的這個P層因內有載流子,有電導調製作用,可以使IGBT在跟高電壓和電流下,有很低的壓降,因此IGBT可以做到很高電壓(目前最大6500V),但由於載流子存在,IGBT關斷是電流會拖尾,關斷速度會減低;MOS就是MOSFET的簡稱了;IGBT和MOS是全控器件,是電壓型驅動,即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件;可控硅是半控器件,電流型驅動,即給柵極通一定的電流,可以是可控硅開通,但是一旦開通,就不受柵極控制,將柵極的電壓電流信號去除,仍然保持開通,只用流過可控硅的電流減小,或可控硅AK兩端加反壓,才能關斷;IGBT和MOS頻率可以做到幾十上百KHz,但可控硅一般在1KHz以內。

2、IGBT驅動器的選擇

  在實際電路中,柵極電阻的選擇要考慮開關速度的要求和損耗的大小。柵極電阻也不是越小越好,當柵極電阻很小時,IGBT的CE間電壓尖峯過大 柵極電阻很大時,又會增大開關損耗。所以,選擇IGBT驅動器時要在尖峯電壓能夠承受的範圍內適當減小柵極電阻。由於電路中的雜散電感會引起開關狀態下電壓和電流的尖峯和振鈴,在實際的驅動電路中,連線要儘量短,並且驅動電路和吸收電路應佈置在同一個PCB板上,同時在靠近IGBT的GE間加雙向穩壓管, 以箝位引起的耦合到柵極的電壓尖峯。

  對於大功率IGBT,設計和選擇驅動基於以下的參數要求:器件關斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。門極電路的正偏壓VGE負偏壓-VGE和門極電阻RG的大小,對IGBT的通態壓降、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dv/dt電流等參數有不同程度的影響。門極驅動條件與器件特性的關係見表1。柵極正電壓 的變化對IGBT的開通特性、負載短路能力和dVcE/dt電流有較大影響,而門極負偏壓則對關斷特性的影響比較大。在門極電路的設計中,還要注意開通特性、負載短路能力和由dVcE/dt 電流引起的誤觸發等問題(見下圖)。

多的這個P層因內有載流子,有電導調製作用,可以使IGBT在跟高電壓和電流下,有很低的壓降,因此IGBT可以做到很高電壓(目前最大6500V),但由於載流子存在,IGBT關斷是電流會拖尾,關斷速度會減低;MOS就是MOSFET的簡稱了;IGBT和MOS是全控器件,是電壓型驅動,即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件;可控硅是半控器件,電流型驅動,即給柵極通一定的電流,可以是可控硅開通,但是一旦開通,就不受柵極控制,將柵極的電壓電流信號去除,仍然保持開通,只用流過可控硅的電流減小,或可控硅AK兩端加反壓,才能關斷;IGBT和MOS頻率可以做到幾十上百KHz,但可控硅一般在1KHz以內。

3、IGBT驅動電路的設計

  隔離驅動產品大部分是使用光電耦合器來隔離輸入的驅動信號和被驅動的絕緣柵,採用厚膜或PCB工藝支撐,部分阻容元件由引腳接入。這種產品主要用於IGBT的驅動,因IGBT具有電流拖尾效應,所以光耦驅動器無一例外都是負壓關斷。下面我們就以M57962L來爲基礎設計相關的驅動電路!

  下圖爲M57962L驅動器的內部結構框圖,採用光耦實現電氣隔離,光耦是快速型的,適合高頻開關運行,光耦的原邊已串聯限流電阻(約185 Ω),可將5 V的電壓直接加到輸入側。它採用雙電源驅動結構,內部集成有2 500 V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護電路、過電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口,驅動電信號延遲最大爲1.5us。

多的這個P層因內有載流子,有電導調製作用,可以使IGBT在跟高電壓和電流下,有很低的壓降,因此IGBT可以做到很高電壓(目前最大6500V),但由於載流子存在,IGBT關斷是電流會拖尾,關斷速度會減低;MOS就是MOSFET的簡稱了;IGBT和MOS是全控器件,是電壓型驅動,即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件;可控硅是半控器件,電流型驅動,即給柵極通一定的電流,可以是可控硅開通,但是一旦開通,就不受柵極控制,將柵極的電壓電流信號去除,仍然保持開通,只用流過可控硅的電流減小,或可控硅AK兩端加反壓,才能關斷;IGBT和MOS頻率可以做到幾十上百KHz,但可控硅一般在1KHz以內。

  當單獨用M57962L來驅動IGBT時。有三點是應該考慮的。首先。驅動器的最大電流變化率應設置在最小的RG電阻的限制範圍內,因爲對許多IGBT來講,使用的RG 偏大時,會增大td(on )(導通延遲時間),t d(off)(截止延遲時間),tr(上升時間)和開關損耗,在高頻應用(超過5 kHz)時,這種損耗應儘量避免。另外。驅動器本身的損耗也必須考慮。

  如果驅動器本身損耗過大,會引起驅動器過熱,致使其損壞。最後,當M57962L被用在驅動大容量的IGBT時,它的慢關斷將會增大損耗。引起這種現象的原因是通過IGBT的Gres(反向傳輸電容)流到M57962L柵極的電流不能被驅動器吸收。它的阻抗不是足夠低,這種慢關斷時間將變得更慢和要求更大的緩衝電容器應用M57962L設計的驅動電路如下圖。

  電路說明:電源去耦電容C2 ~C7採用鋁電解電容器,容量爲100 uF/50 V,R1阻值取1 kΩ,R2阻值取1.5kΩ,R3取5.1 kΩ,電源採用正負l5 V電源模塊分別接到M57962L的4腳與6腳,邏輯控制信號IN經l3腳輸入驅動器M57962L。雙向穩壓管Z1選擇爲9.1 V,Z2爲18V,Z3爲30 V,防止IGBT的柵極、發射極擊穿而損壞驅動電路,二極管採用快恢復的FR107管。

多的這個P層因內有載流子,有電導調製作用,可以使IGBT在跟高電壓和電流下,有很低的壓降,因此IGBT可以做到很高電壓(目前最大6500V),但由於載流子存在,IGBT關斷是電流會拖尾,關斷速度會減低;MOS就是MOSFET的簡稱了;IGBT和MOS是全控器件,是電壓型驅動,即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件;可控硅是半控器件,電流型驅動,即給柵極通一定的電流,可以是可控硅開通,但是一旦開通,就不受柵極控制,將柵極的電壓電流信號去除,仍然保持開通,只用流過可控硅的電流減小,或可控硅AK兩端加反壓,才能關斷;IGBT和MOS頻率可以做到幾十上百KHz,但可控硅一般在1KHz以內。

  多電路輸出的IGBT驅動設計

  工作原理爲:PWM控制芯片輸出的兩路反相PWM 信號經元件組成的功率放大電路放大之後,再經脈衝變壓器隔離耦合輸出4路驅動信號。4路驅動信號根據觸發相位分爲相位相反的兩組。驅動信號1與驅動信號3同相位,驅動信號2與驅動信號4同相位。該電路採用脈衝變壓器實現了被控IGBT高電壓主迴路與控制迴路的可靠隔離,IGBT 的GE間的穩壓管用於防止干擾產生過高的UGE而損壞IGBT的控制極。與MOSFET一樣,負偏壓可以防止母線過高du/dt造成門極誤導通。但只要控制好母線電壓瞬態過沖,可不需要IGBT的負偏壓。此電路中,脈衝變壓器次級接相應電路將驅動波形的負脈衝截去,大大減少了驅動電路的功耗。

  由於IGBT的開關特性和安全工作區隨着柵極驅動電路的變化而變化,因而驅動電路性能的好壞將直接影響IGBT能否正常工作。爲使IGBT能可靠工作。IGBT驅動電路需要滿足以下要求:

  1.提供一定的正向和反向驅動電壓,使IGBT能可靠地開通和關斷。

  2.提供足夠大的瞬時驅動功率或瞬時驅動電流,使IGBT能及時迅速地建立柵控電場而導通。

  3.具有儘可能小的輸入、輸出延遲時間,以提高工作頻率。

  4.足夠高的輸入輸出電氣隔離性能,使信號電路與柵極驅動電路絕緣。

  5.具有靈敏的過電流保護能力。

  IGBT驅動電路設計的趨勢

  集成化模塊構成的IGBT柵控電路因其性能可靠、使用方便,從而得到了普遍應用,也是驅動電路的發展方向。各大公司均有不同系列的IGBT驅動模塊,其基本功能類似,各項控制性能也在不斷提高。例如富士公司的EXB系列驅動模塊內部帶有光耦合器件和過電流保護電路,它的功能如下圖所示。

多的這個P層因內有載流子,有電導調製作用,可以使IGBT在跟高電壓和電流下,有很低的壓降,因此IGBT可以做到很高電壓(目前最大6500V),但由於載流子存在,IGBT關斷是電流會拖尾,關斷速度會減低;MOS就是MOSFET的簡稱了;IGBT和MOS是全控器件,是電壓型驅動,即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件;可控硅是半控器件,電流型驅動,即給柵極通一定的電流,可以是可控硅開通,但是一旦開通,就不受柵極控制,將柵極的電壓電流信號去除,仍然保持開通,只用流過可控硅的電流減小,或可控硅AK兩端加反壓,才能關斷;IGBT和MOS頻率可以做到幾十上百KHz,但可控硅一般在1KHz以內。

  EXB系列驅動模塊與IGBT之間的外部接口電路如下圖所示。驅動信號經過外接晶體管的放大,由管腳14和管腳15輸入模塊。過電流保護信號由測量反映元件電流大小的通態電壓vCE 得出,再經過外接的光耦器件輸出,過電流時使IGBT立即關斷。二隻33uF的外接電容器用於吸收因電源接線所引起的供電電壓的變化。管腳1和管腳3的引線分別接到IGBT的發射極E和門極G,引線要儘量短,並且應採用絞合線,以減少對柵極信號得到干擾。圖中D爲快速恢復二極管。

多的這個P層因內有載流子,有電導調製作用,可以使IGBT在跟高電壓和電流下,有很低的壓降,因此IGBT可以做到很高電壓(目前最大6500V),但由於載流子存在,IGBT關斷是電流會拖尾,關斷速度會減低;MOS就是MOSFET的簡稱了;IGBT和MOS是全控器件,是電壓型驅動,即通過控制柵極電壓來開通或關斷器件;可控硅是半控器件,電流型驅動,即給柵極通一定的電流,可以是可控硅開通,但是一旦開通,就不受柵極控制,將柵極的電壓電流信號去除,仍然保持開通,只用流過可控硅的電流減小,或可控硅AK兩端加反壓,才能關斷;IGBT和MOS頻率可以做到幾十上百KHz,但可控硅一般在1KHz以內。

  由於IGBT在發生短路後是不允許過快地關斷,因爲此時短路電流已相當大,如果立即過快關斷會造成很大的di/dt,這在線路分佈電感的作用下會在IGBT上產生過高的衝擊電壓,極易損壞元件。所以在發生短路後,首先應通過減小柵極正偏置電壓,使短路電流得以抑制,接着再關斷IGBT,這就是所謂“慢關斷技術”,這一功能在某些公司生產的模塊中已有應用

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