3M IDM400A

丨
DM400^
徐 雪全
IGBT的 工 作原 理 ,再 介绍 台湾斯 米克公 司生产 的 一 种 IGBT
c一
Γ
管 子 ,必 须要 用相应 的驱 动器 来 驱 动和保护 。本 文首 先介绍
一Rn
频器或开关 电源 中获得广泛的使 用 。为 了避免短路过载烧坏
一ι
一
⒑ BT是 一 种 新 型 的大 功 率 开关 管 ,近 年 来 在 国 内外 变
⒒ η
屮
分立式驱动器 IDM400A,最 后提 出应用 中的几 个问题供读者
∶
使用时参考 。
L
」
IGBT的 基 本 原 理 及 特 性
一 .IGBT的 基 本原理
⒑ BT是 绝 缘 栅 双 极 型 大 功 率 晶 体 管 (Insuhted Gate
Ⅱpolar
Tran⒍ stor)的
简称 ,自 80年 代 中期 以来 ,它 作 为 一 种
新 一 代的 电力 电子器件在交流变频器 、
逆变器 、
大功率开关 电
源 、电子焊 机等方 面获得 了广泛应 用 。虽 然在
IGBT问 世 之
前 ,大 功率双极 型晶体管 (GTR)已 经 在 电力 电子 线路 中获得
了应用 ,如 小功率开关 电源及逆 变器等 ,但 随着转换功率的增
D
极
滑
?丿
G跏
C集 电极
臼
J
1♂
s
极
源
E发 射极
性 :它 的开关时间只有 GTR的 几十分之 一到几百分之 一 ,因
此工作频率可以 比 GTR高 得多 ;由 于 VDMOs是 场控器件
输入阻抗高 ,所 需的控制功率极微 ,通 常可直接使用集成电路
,
的输出 ,这 给驱动电路的设计带来方便 ;VDMOs还 具有 良好
的热稳定性 ,由 于其沟道 电阻具有正的温度系数 ,当 芯 片温度
升高时 9沟 道 电阻增太 ,使 通 过的电流减小 ,从 而能 自动调节
整个芯片电流的均匀分布 ,使 大电流器件的制造成为可能 ,也
使 多个器件能够直接 并联使用而不需采取特 别均流措施。
ⅤDMOS与 GTR相 比的主要缺点是管子导通时的通态压降
ⅤDs(on)比 较大 ,使 管子功耗大 :造 成 VDMOS通 态压降大 的
原因是电流通道上存在着较大的轻掺杂区 ,即 nˉ 区 电阻 RD,
而 nˉ 区又是提高器件耐压所必须的 ,因 此在 VDMOs中 高耐
压和低通态压降是一对矛盾。
IGBT是 VDMOS的 改进 ,从 结构原理上看它是 VDMOs
GTR的
和
结合 ,兼 有两者的优点。图 2是 它的结构和 电路符
号 9它 在 VDMOS基 础上引进 了 p-n结 ,利 用基区(轻 掺 nˉ
差 ,开 、
关状 态转换时间长 ,开 关损耗大 ,工 作频率低 ;(2)热 稳
区)少 数载流子的电导调制效应来降低基区电阻 ,从 雨使 IG-
定性 差 ,容 易损坏 ;(3)驱 动功率太 ,驱 动线路 复杂 ,这 就 限制
了 GTR在 大 电流 、
高 电压方面的进 一 步发展 。70年 代 出现 的
BT的 通态压降 VcE(on)下 降 。简单地说 IGBT相 当于 1个 由
电力场效应管 (Power MQsFET)是 一 种 电场控制型的大功率
器件 ,较 常 见 的管子结 构 型 式是漏极 和源 极 不在 同 平 面上
一
的垂 直导 电双 扩 展 MOS器 件 (VDMOS),图 1是 VDMOS的
结构示意图和 电路符号 。
它的 工 作原理如下 :如 在 VDMOs漏
3所 示 ,图 中 Rn为 onp管 基区内的调制 电阻。当 VGE为 正且
大于阀值 电压 VGE(曲 )时 ,MOsFET内 形成沟道 并为 pnp晶 体
管提供基极 电流进而使 IGBT导 通。此 时从 p+区 注入 n一 的
空穴 (少 数载流子 )X扌 n一 区进行电导调制 ,减 小 n一 区的电阻
极 D和 源极 S间 加上正 向电压 V眺 9当 栅极 G和 源极 S间 所
加 的 电压 VGs=0时 ,D与 s间 因存在 0-nˉ 反 向结 ,在 D与
S间 没有 电流通过 ;当
于 ⒊o2绝 缘层 的
】
c(A)
60
/vL1s1
/
被 正 电荷排 斥向体 内运动 ,而 留下 了带 负 电的离子 ,形 成 了一
层没有载流 子 的空间电荷 区 ,称 为耗尽层 。耗尽层不能导 电
随 着 vGs增 大 ,耗 尽层加宽 ,当 VGs大 到 一 定值 时 ,p型 硅 中的
/
12V
lOV
、
叮
=0,但 金 属栅被充 电而聚集正 电荷 ,p型 硅 中的空穴
|丁
/
⌒
存在 ,、
VG“ 加正 向偏置时 ,由
MOSFET驱 动的厚基区 pnp晶 体管‘
,它 的简化等效电路如图
8V
,
电 子 (少 数 载 流 子 》被 栅 极 正 电荷 吸 引到 表 面 ,在 耗 尽 层 和
Si02之 间出现 n型 导 电层 ,称 为反 型层 ,或 称 n+沟 道 ,见 图 1
20
6V
'
=5V
~VGE(th冫
V GE
l00
300
5oo
VcE(V)-
阴影处 ,出 现反 型层 所需 的栅 极 正 偏 压 称 为阀值 电压 。VD-
MOS器 件 的 电流全部 依靠 电子 (多 数载流子 )运 载 ,属 于 “单
”
极 型器 件 ,与 双 极 型 管 子 相 比 ,VDMOS具 有 良好 的动态特
《 实用无线 电 》1997年 第 5期 第 8页
图
4
700
IGBT大 功率 开关 管 及其驱 动器
Rn,使 高耐压的 IGBT也 有很小的通态压降 。当 VGE为 0或 反
下 ,C、 E间 的饱和 压 降 ,从 图 4可 见 ,在 饱和导通 时 ,VcE(on)
向时 ,MOsFET内 沟道消失 ,pnp管 的基极电流被切断,IGBT
与集 电极 电流近似成 正 比。
VcE(on)下 降意味着 IGBT器 件的电流容量可 以做得更
关断。
大 ,耐 压也可更高 。虽然 IGBT因 p-n结 存在着少数载流子
存储效应 ,动 态特性 比 ⅤDMOs差 工些 ,但 总体性能明显优于
损
前两者 ,是 当前电力电子器件较为理想的一种 。随着容量、
IGBT已
工
,当
经发
、
前
耗、 作频率 安全可靠性等指标的提高
展到第三代 、
模块化 ,大 大
第 四代 ,它 的驱动线路也 已集成化 、
VGE(th) IGBT实 现 电导调 制 而 导通 的最
低 G、 E间 电压 。25C时 VGJ(th)的 范 围在 2~6V之 间 ,VGE
(th)值 随 温 度 升 高 略 有 下 降 ,温 度 每 升 高 1C,其 值 下 降 约
4.阀 值 电压
5mⅤ 。VGE(th)值 可 以由图 5所 示 的基本 电路来测量 ,图 中当
,集 电极 电流很小 ,为 漏 电流 IcⅡ ,升 高 ⅤGE使 ℃ 上
VGE=0时
升到规定的集 电极 电流时测得 的 G、 E间 电压即为 VGE(th)。
5.开 通时间 、n 即
IGBT在 开通过程 中从驱动 电压 VGE
脉冲前沿的 0.1VGE处 起 至 t上 升到 0.9k处 所需 的时 间 。
6.关 断时间 、Ⅱ 即 IGBT在 关断过程 中从 VGE脉 冲后沿
方便了使用。
IGBT的 输出特性和主要参数
/
=。
IGBT的
输出特性是指 以 VGE为 控制变量 ,集 电极电流 k
与集 、
射极间电压 VcE之 间的关系 ,图 4为 典型的 1GBT输 出
特性曲线 。当 VcE)0而 VGE(VGE(th)时 ,IGBT为 正向阻断
状态 :此 时沟道没有形成 ,IGBT只 有很小的集 电极漏 电流
℃Es流 过。当 ⅤcE)0且 VGE)VGE(th)时 ,沟 道形成 ,靠 近集
电极的 p工 n结 处于 正偏状态,p+区 将 向 n基 区注入空穴
ⅤcE升 高 ,注 入的空穴密度也增大 ,直 到超过 n基 区的电子密
,
度 ,在 这种情况下 ,随 着 Vco的 升高 ,向 基区提供 电子的沟道
加宽 ,Ic将 增大 。在正向导通的大部分 区域内,、 与 VGE呈 线
性关系 ,IGBT的 这 种 工 作状态为有源 工 作状态或称线性 工
作状态 。图 4中 输出特性明显弯曲的部分为饱和工作区 9此 时
k与 VGE不 呈线性关系。对于工作在开关状态的 IGBT,应 尽
量避免工作于有源 区 ,否 则功耗将会很大 。
的 0.9VcE处 起至 k下 降到 0.1Ic处 所需 的时间 。IGBT的 %n
。
和 %ff约 1~2us。
表 1为
AEG公 司 几 种 ⒑ BT的 主要性能 ,供 读耆参考 。
介 绍 一 种 IGBT驱 动 嚣
虽然 IGBT的 驱 动功率小 ,电 路 简单 ,但 IGBT的 驱 动 电
路设计得好坏对器件安全可靠地 工 作关 系很大 ,IGBT驱 动
+
Eε
GND
IGBT的 主要参数
:
BVeEs 是 指栅极与发射极 短接 时
E间 允许的最大 电压 ,即 通常所指的额定 电压 。
1.集 、
射极最高 电压
C、
2.集 电极最大 电流
kM
,
15
14
是指管子 在安 全温度范 围 内集
电极最太允许通过 的直流 电流 ,通 常
1GBT的 安 全温 度 为壳
温 85C。
3.集 电极 通 态 压 降
表
VcE(on) 指 在 一 定 的集 电极 电流
1
颌 定 电压
型号
(A)
500
1000
500
1000
500
1000
500
1000
500
100
100
150
150
200
200
300
300
400
IcP(≤
1ms)
(A)
200
200
300
300
400
400
600
600
800
通态压降
VcE(on》 (25℃
(V)
阈值 电压 开 通 时 间 关 断 时 间
)
VGE(th)
(V) ~
(ton)
(us)
4.5
toff
(us冫
0.8
1.0
0.8
1.1
0.8
9990
(V)
集 电极 峰值 电流
7“
FF200R500K
F200R1000K
F300R500K
F300R1000K
F400R500K
IcM
o0000.0001
FF150R1000K
集 电极 最 大 电流
86⒙
FF100R500K
FF100R1000K
FF150R500K
BVcEs
】。1
o。
9
1.2
0,9
《 实用无线 电 》1997年 第 5期 笫9页
新 嚣件应 用
开通 时 的 桔 人 一抬 出 波 形
z/V格
o
7`
5V/格
加1
J~ll∶
横坐标 lus/辂
图 9(a冫
管脚
2V/枯
o
j遛
不
不
枝坐标 lus/枯
D・
图9(b)
驱动信号输入
:
1.提 供适 当的 正 向驱动 电压 VGE。 为 了保证
IGBT充 分
导通 以达到 降低饱和压降 的 目的 ,正 向驱动 电压要足够大 ,通
常取
15V左 右 ,另 外为 了保证 so2绝 缘 层不被 击穿和长期可
过 浼 时 VGi与 IG的 波 形
接
接
电源地
电源地
驱动信号输入
器除 了应具备驱动放大功 能外 ,还 必 须要 有 良好 的隔离和保
护功能 ,对 它的具体要 求是
能
用于连接反偏置 电源的滤波 电容器
电源 (+22.5V)
驱动输 出
连接外部 电容 ,防 止保护 电路误 动作
过 流 (短 路 )保 护信号输 出
IGBT集 电极 电压检测
关断 时 的输 人 一抬 出波形
5V/格
功
靠工作 ,VGE最 大不得超过 ⒛V∶
2.提 供适当的反向偏置 电压 ,为 了防止外界干扰脉冲引
起误导通 ,栅 极反 向应施加 -5~-10V电 压。
3.具 有 可靠的短路和过流 悍护能力 ,在 切断 IGBT短 路
电流时要有一小段延时 ,以 避免引起瞬态尖峰电压损坏管子。
4.有 良好的输入输出隔离能力。
5.尽 可能小的输入输出信号传输延迟。
6.具 有过流监控信号 的输出功能。
| Ic
lO0Λ /
VcE
IOV/枯
柑坐标
20us/枯
田 10Cα )
过 流 时 VGE与 VcE的 波 形
∵。
IDM400A驱 动器
IDM400A是 一种分立元件的 IGBT专 用驱动器谟块 ,图
6为 IDM400A的 方框图 ,图 中⑦ 、
⑩脚是控制信号输入端 ,③
脚是驱动信号输出端 ,它 通过栅极驱动电阻 RG与 IGBT的 栅
极相连 ,用 来开关 IGBT。 ⑤脚是过流监控 信号输出端 ,它 通
过外接光耦输出故障信号。
⑥脚为过流保护信号输入端 ,为 了
与高压隔离 .该 引脚必须外接高反压的取祥 二极管与 IGBT
集电极相接 :① 脚与 IGBT发 射极直接相连 ,⑨ 脚为地端 。
DM4QOA的 电原理如图 7所 示 ,电 源电压加在② 、⑨脚
之间 ,推 荐值为 22.5V。 图中由高压隔离光耦 D1、 互 补推挽输
出管 D7/D8、 5V稳 压管 D6及 电阻 R1组 成驱动器的基本 电
路。D1的 输出烯子⑤、
⑥及⑦ 、
⑧间为 1对 互补眢 ,输 入脉冲
(推
D1隔
荐值 为 8mA〉 经
信号
离放大 ,传 送 到推挽功放管
50V/枯
D7、 D8输
loV/格
∮坐标2Orˇ 枯
田lO(b9
出。正常工作时,当 D7饱 和,D8截 止,输 出脚③向
IGBT提 供正向驱动电压约 16V;当 D7截 止,D8饱 和,脚 ③
向IGBT提 供反向偏置电压约一5Y。 IDM400A驱 动 IGBT导
通和关断的测试电路和输入一输出波形如图 8及 图 9所 示。
图 7中 的 D3、 D4、 D5、 R3、 R4、 R5、 C2、 c3等 构 成 了过 流
检测 、
故 障信号输 出及导通保持 电路 。
检测过流故 障的方法是
《 实用无线 电 》1997年 第 5期 第 10页
IGBT大 功率 开关 管 及 其驱 动器
目
项
V)Ⅱ
最大供 电电压 〈
(mA)
最大输入 电流
最大 正 向偏置输 出电流 (A)
最大反 向偏置输 出电流 (A)
嘬 大 工 作频率 (kHz)
输 入 /输 出隔离 电压 αV冫
最高表面 工 作 温度 (C)
工 作 电压 (V)
输 入正 向电流 (mA)
输 出高 电平 电压 (V)
输 出低 电平 电压 (V)
导通 时 间 (us)
关浙时间 (us)
过 电流检测 电压 (V)
过 电流保护延 时 时间 (us)
报警信号 延时时 间
ⅡDM吐 00A
EXB840
EXB841
35
25
25
10
9
1.5
4
-9
-1.5
-4
40
40
2.5
25
2.5
∷2.5
-10~+85
-10~+85
22.5
-10~+85
16
20
10
14.5
20
10
14.5
-5
-4.5
-4.5
1.5
1.5
7.5
10
1.5
1.5
7.5
10
1.5
1.5
7.5
10
2
1
1
8
利用 IGBT通 态压降 VcE(on)跟 集 电极 电流 Ic成 正 比的特
性 ,通 过监视 VcE〈 on)的 大小来判浙过流是否产生。IGBT在
正 常 工 作状态下通态压降 VcE(on)约 4Ⅴ (第 2代 IGBT管
子 ),一 旦过流发生 ,VcE(on〉 增大 ,当 增大到设定值 7.5V时
驱动器⑥与①脚之间为 2V,过 流保护动作 电压达 13.2V
(C1两 端 )9D3反 向导通 ,为 D在 提供基极 电流 ,D4由 截 止转
,
8。
为导通 ,使 ⑤脚电平由高变低 ,对 外输出过流监控信号。同时
由于 D4导 通 ,C3向 D4放 电 ,约 经 10us后 ,D5导 通 ,D7的 基
极 电流减小 ,以 致 D7由 饱和状态变为放大状态 ,同 时 D8也
由截 止变为放大 ,IGBT栅 极正向驱动 电压随之降低 ,实 现软
关断 ,称 为延时过流保护。
在这段时间内若过流故障消失 ,IGBT的 VcE(on)减 小 ,D4回 到截止状态 ,③ 脚恢复正常驱动电
压输出。若这段时间过后过流故障不消失 ,将 促使 Dz截 止
D8饱 和 ,形 成负偏压 ,关 断管子。过流保护的动作曲线如图
10所 示 ,图 中当 IGBT从 关断转为开通时 ,若 此 时发生过流
,
故障 ,则
输 出驱动电压在 16V处 延时 10us后 下降 ,约 50us后
关断。
Ⅱ
IDM400A的 外形尺寸和管脚功能见图 11。
二。
IDM400A驱 动器的主要参数
IDM4Q0A的 颔定参数与主要特性见表 2。 表 2中 还列出
了 日本富士 EXB系 列驱动脊的性能。从表中可见 ,两 者的电
性 熊相似 ,但 IDM400A有 更大的驱动能力 ,在 工 作频率低于
25kHz时 ,它 最大能驱动 1200V/400A的 IGBT,当 躯动第 2
代 600V/200A或 1● 00V/100A的 IGBT时 有 良好的安全 可
靠性 。
IDM400A驱 动器的典型应用
三。
IDM400A的 典型应用见图 12,图 中 C1、 C2用 来吸收 电
源阻抗引起的电压变化 ,避 免电路产生误动作 .使 用时电容尽
量靠近驱动器 ,建 议 C1取 47uF/35V,C2取 47uF/16V。 取样
二极管 D2的 选取必须考虑反向耐压、
恢复时间和通态压降 3
个因数 ,它 的反向耐压必须大于相对应 的 IGBT的 颔定电压
它的恢复时间必须小于 IGBT的 关断时间 ,它 的正 向压降应
不大于过流保护动作电压 (13.2V)减 去 IGBT过 流时的 VcE
(图 7中 D6)电
厣后得到的差 ,可 选用快恢 复二
-on)及 稳压管
极管 FR157或 其他同类型管子。
RG是 个非常重要的参数 ,它 涉及到 IGBT的 开关速度和
开关损耗 ,并 影响电路是否出现振荡 ,是 否产生浪涌电压和 电
流。增大 RG可 抑制振荡 ,减 小浪涌 ,但 开关损耗随之增大。表
3给 出了富士 EXB系 列驱动器配置富士第 2代 IGBT的 电阻
计算值 ,也 可供 IDM400A使 用时参考。表 中 Rc计 算值与所
给的怀准值可能有较大 出入 ,一 般要高出 2~3倍 。
R2为 故障
输出光耦的限流电阻 ,R2太 大 ,光 耦输入电流太小 ,故 障信号
不能有效传递 ;R2太 小将使故 障输出信号的保持时间变虚
使有关 电路来不及处理而 导致保护失败 ,R2的 推荐值为
,
5。
1kΩ 。
□□
表3
Ic(A)
RG
50
`计
△
箅值 (Ω 560 360
标准值 (Ω
辶 计箅值 (Ω
,
`标
准值 (Ω
150
VcE、
75 100 150
46
(V)
36
25
9.1 5.6 4.7
270
68
35
150 82
50
25
50
300
1200
《 实用无线电》1997年 第5期 第Ⅱ页