2024年3月24日发(作者：)
，’Ｈ● 、－／ｌ｝—ｌ＿・ ｄｏｉ：１ ０．３９６９０。ｉｓｓｎ．１５６３－４７９５．２０１１・１１・Ｏ１７ 刹 拟 按 器开 阱 Ｉ迥囊薯擎＿ 甏ｉ 萎誊ｊ 嚣 ｌ ｌ鼍０ｌ＿ ０ ◇０００ ０◇０譬０囊穆。一鬻赣鬣镶鬻 毳鼹豢 棼镞ｌ ｜毽群锤箍ｌ 嚣ｌ鼍。 。－ 一一 缓聪 瓣。 罄增盼。 。 强 一 电 ．胂帔 研 巳 咆 咆 画静细砜国磨（八ｌ 一 绝缘栅双极型晶体管（ＩＧＢＴ）（二） 供稿） 乔恩明 薛玉均 刘 敏（及童一 （上接第１０期第５６页） ３．５ ＩＧＢＴ的结电容特性 成 大 改编） 本刊编辑部 张乃国（的寄生电容存在，ｌＧＢＴ的等效结电容如图１３所示。 其中．Ｃｊ 是指栅极与发射极之间的输入电容； 是指集电极与发射极之间的输出电容；Ｃ 是指集 电极与栅极之间的反向传输电容。这些电容的大 小对驱动电路和缓冲电路的设计都非常重要。图 １４所示为某型号ＩＣＢＴ结电容的特性曲线。由图中 撇增艏 在ＩＧＢＴ芯片中，各个不同电极之间都有一定 可以看出，随着驱动电阻的增加，ＩＧＢＴ的等效寄 驱动电阻尺。／Ｑ 一 生电容有减小的趋势。 图１４ ＩＧＢＴ￣电容示意图 汗 扯 一（Ｕｃ￣＝０Ｖ，ｆ＝ｌＭＨｚ， ＝２５℃） 要一定的时间，在这段时间内，电流电压将会有 段重叠时间，因而会产生一定的损耗。ＩＧＢＴＴ￣ 通过程中，ＩＧＢＴ承受的电压Ｕ 与集电极电流 存 在重叠时间。在重叠时间中，ＩＧＢＴ￣图１３ ＩＧＢＴ￣电容特性 电压 与集电极电流，ｃ乘积的积分为ＩＧＢＴ每开通一次所损 耗的能量。开通损耗随电流增加而增加，如图１５ 所示。 ３．６ ＩＧＢＴ的损耗特性 ｌＧＢＴ在开关过程并不是瞬间完成的，而是需 收稿Ｅｔ期：２０１１—０６－０６ ＩＧＢＴ在关断过程中承受的电压 与集电极电 流兀也存在重叠时间。在关断过程的重叠时间中，
知识讲座》》 ＝ ｌ２５℃ 罩” ／ ２５℃ １０ 斟５ ／ ／／ ．／’ ’． ０ ５Ｏ ｌＵＵ Ｉ５Ｏ ２Ｕ０ 集电极电流Ｉｃ／Ａ 图１５ ＩＧＢＴ单次开通损耗特性图 （Ｖｃｃ＝６００Ｖ，ＵＣ，Ｅ＝￣１５Ｖ，ＲＧ＝５．６１Ｉ） ＩＧＢＴ承受的电压 与集电极电流，ｃ乘积的积分为 ＩＧＢＴ每关断一次所损耗的能量。关断损耗取决于 ＩＧＢＴ的关断特性设计，与饱和压降有折中关系。 由于ＩＧＢＴ的关断与内部寄生晶体管的关断有关， 因此与功率ＭＯＳＦＥＴ相比，关断时间较长，ＩＧＢＴ的 关断损耗特性如图１６所示。 二－ １２５℃ ｌ５ ／ ‘ ／ ／ ２５℃ 蹬１０ ／’ 势 丹ｃ ／ ／ ．／ ．／’ ０ ５０ １００ １５０ ２００ 集电极电流』ｃ，Ａ 图１６ ＩＧＢＴ单次关断损耗特性 （Ｖｃｃ＝６００Ｖ， ＧＥ＝＋１５Ｖ， ｃ＝５．６０） 栅极驱动电阻对ＩＧＢＴ的开关损耗有较大影响。 如图ｌ７所示，栅极电阻愈小，ＩＧＢＴ的开关过程愈 迅速，开通损耗和关断损耗就愈小。但是，栅极 电阻愈小，ＩＧＢＴ开通过程的ｄｉ／ｄｔ就愈大，ＩＧＢＴ的 内置二极管反向恢复损耗也愈大。一般需要综合 考虑合理选择驱动电阻。 ＩＧＢＴ处于导通状态时，内部导通电阻和ＰＮ结 压降造成ＩＧＢＴ在导通时有一定的饱和压降。这个 饱和压降使得ＩＧＢＴ在导通时也存在一定的导通损 １０Ｏ ７５ 霉 蠢ｓｏ ｜‘ 赠 ：田Ｌ ２５ ／ Ｅｆ ／， — 、 ．Ｏ ５Ｏ ｌ００ １５０ ２００ 驱动电Ｊ 。／Ｑ 图１７ 开关损耗与驱动电阻之间的关系 （Ｖｃｃ＝６００Ｖ，Ｉｃ＝１００Ａ，ＵＧＥ＝￣１５Ｖ，Ｔｊ＝１２５＇Ｃ） 耗，称之为通态损耗。与ＭＯＳＦＥＴ不同，由于ＩＧＢＴ 利用电导调制效应，因此ＩＧＢＴ的饱和压降较小， 约为１．５￣３Ｖ。ＩＧＢＴ的饱和压降ＵＣＥ ｆｓａｌ１与集电极电 流，ｃ关系如图ｌ８所示。在小电流情况下， ㈨与 ，ｃ关系表现为负温度系数，即在相同的通态电流条 件下。结温高时的ＩＧＢＴ饱和压降要比结温低时的 低：而大电流下，则表现为正温度系数。原因是 在小电流情况下，ＩＧＢＴ导通时等效晶体管的ＰＮ结 压降等起支配作用，故具有负温度系数，而在大 电流情况下，长基区电阻起支配作用，使得器件 具有正温度系数。 ＝。２０、 ，１５Ｖ ｌ２Ｖ 蠢１５０ ／ ／ ， 娶 １００ ｝ ） ／ １ＯＶ 一 ｊｊｌ｝ｊ｝ ／ ｌ一一 ‘ ８Ｖ Ｕ ｌ ２ ３ ４ 饱和压降Ｌ｜ ／Ｖ 图１８ ＩＧＢＴＮ饱和压降 ㈨与集电极电流 的关系 （Ｔｊ＝１２５％） 综合通态损耗、开关损耗，ＩＧＢＴ的总损耗为 Ｐ ＵｃＥ｝圆＋ 叽＋Ｅ砸１ ｆ （２１ 式中，，Ｃ为ＩＧＢＴ导通时流过的电流；Ｄ为ＩＧＢＴ 导通占空比； 和Ｅ 分别为开通损耗和关断损耗； 伪开关频率。
３．７ ＩＧＢＴ的安全工作区 ＩＧＢＴ的安全工作区ｆ Ｓａｆｅ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ａｒｅａ， ＳＯＡ１是指在不损坏ＩＧＢＴ的前提下，器件在开通或 关断时，开关管集电极电流 和集电极一发射极电 压 所围成的一个区域。根据导通和关断两个物 理过程，Ｘ￣ＩＧＢＴ定义了两个不同的安全工作区， 分别是正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作 区。相对于功率ＭＯＳＦＥＴ而言，ＩＧＢＴ有相对大很多 的正向偏置安全工作区和反向偏置安全工作区。 ＩＧＢＴ开通时的正向偏置安全工作区ｆＦＢＳＯＡ） 由集电极电流、集电极一发射极电压和集电极功耗 三条边界极限包围而成。最大集电极电流 由避 免ＩＧＢＴ发生动态擎住效应而限制，最大集电极一发 射极电压 是由ＩＧＢＴ中ＰＮ结 所能承受的最大电 压所限制，最大功耗则是由最高允许结温所决定。 器件导通时间越长．发热越严重，安全工作区则 越窄，直流工作时导通时间最长。安全工作区最 小，如图１９所示。 ＼、＼一一Ｉｌ图１９ ＩＧＢＴｇＪ正向偏置安全工作区（ＦＢＳＯＡ） ＩＧＢＴ的反向偏置安全工作区ｆＲＢＳＯＡ）如图２０ 所示。它是由最大集电极电流、最大集电极一发射 极问电压和允许的最大集电极一发射极电压上升率 ｄ 确定。这个区域表示驱动电压为零或负值 时，器件关断瞬态的限制区域。随着ＩＧＢＴ关断时 集电极一发射极电压上升率ｄ Ｆ／ 增加，反向偏置 图２０ ＩＧＢＴ的反向偏置安全工作区 知识讲座 安全工作区变窄。 为了反映ＩＧＢＴ承受过载电流时的关断能力． 引入短路安全工作区（Ｓｈｏｒｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ ＳＯＡ，ＳＣＳＯＡ） 的概念，如图２ｌ所示。图的实线部分为反向偏置 安全工作区ｆＲＢＳＯＡ），虚线部分表示短路安全工 作区。ＳＣＳＯＡ在集电极过载电流增大时有变窄的 倾向，这点在设计时需要加以注意。ＩＧＢＴ可以在 反向偏置安全工作区（ＲＢＳＯＡ）连续、重复运行， 但在短路安全工作区ｆＳＣＳＯＡ１只能单次运行或长 时间问隔运行，主要用于短路保护。 Ｏ 图２１ 短路簧全工作区ＳＣＳＯＡ 在ＩＧＢＴ的应用电路设计时，必须保证ＩＧＢＴ在 开通瞬间、关断瞬间以及短路瞬间，ＩＧＢＴ的电压 电流的运行轨迹（ 一，ｃ）全部落在对应的安全工 作区内，否则器件就会损坏。通常通过设计吸收 电路，确保ＩＧＢＴ的工作轨迹在安全工作区内。 ４ ＩＧＢＴ的选择 ４．１ 绝缘栅双极晶体管ＩＧＢＴ的识别 绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ１是三极管和ＭＯＳ． ＦＥＴ的复合器件，具有下列优点：开关速度高，开 关损耗小；在电压ＩＯ００Ｖ以上时，开关损耗只有普 通三极管的１／１０，与ＭＯＳＦＥＴＳＨ当：在相同电压和 额定电流时，安全工作区比三极管大，且具有耐 脉冲电流冲击能力：通态压降比Ｍ０ＳＦＥＴ低，特别 是在电流较大的区域：输入阻抗高，输入特性与 ＭＯＳＦＥＴ类似：与ＭＯＳＦＥＴ和三极管相比，耐压和 通流能力还可以进一步提高，同时还可保持开关 频率高的特点。 绝缘栅双极晶体管有三个电极：栅极Ｇ、集电 极Ｃ和发射极Ｅ。电气图形符号如图２２和图２３所示。 图２２ ｆａ１带续流二极管单元封装的ＩＧＢＴ模块； 一ｌ
知识讲座≯≯≥ 坤Ｊ《 串 Ｊ （ｅ） （ｆ） （１） （ｍ） 一 章Ｔ （ｇ） 壬耷蝉 （ｎ） 净净 捆鸟奄奄 审中 （ｔ） （ｕ） 图２２ ＩＧＢＴ￣内部电路结构图（一） （ｂ）不带续流二极管单元封装的ＩＧＢＴ模块； （ｃ）带 两个续流二极管的低端斩波器用ＩＧＢＴ模块； （ｄ） ● 带两个续流二极管的高端斩波器用ＩＧＢＴ模块； （ｅ） 带一个续流二极管的斩波器用ＩＧＢＴ模块； （ 带 Ｌ 一ＩＧＢＴ模块； （ｓ）六单元三个独立桥臂封装的ＩＧＢＴ 模块；（ｔ）六单元三个独立共发射极和共集电极封 装的ＩＧＢＴ模块； （ｕ）六单元三桥臂上端共集电极 封装的ＩＧＢＴ模块。 图２３中： （ａ）三相整流桥与三￣ＨＩＧＢＴ逆变桥 个续流二极管的斩波器用ＩＧＢＴ模块； （ｇ）带有 阻塞二极管的斩波器用ＩＧＢＴ模块； （ｈ）带有阻塞 二极管的斩波器用ＩＧＢＴ模块； （ｉ）续流二极管与 ＩＧＢＴ独立封装的斩波器用ＩＧＢＴ模块； （ｉ）带续流 二极管两单元单桥封装的ＩＧＢＴ模块； （ｋ）ｋ带续流 二极管两个独立封装的ＩＧＢＴ模块； （１）两单元同 时共栅与共发射极封装的ＩＧＢＴ模块； （ｍ）带有独 混合封装的ＩＧＢＴ模块； （ｂ）单相整流桥与三相ＩＧ． ＢＴ逆变桥混合封装的ＩＧＢＴ模块； （ｃ）三相ＩＧＢＴ逆 变桥与ＩＧＢＴ斩波管混合封装的ＩＧＢＴ模块； （ｄ）三 相整流桥与三￣ＮＩＧＢＴ逆变桥及ＩＧＢＴ斩波回路封装 的ＩＧＢＴ模块； （ｅ）三相整流桥与ＩＧＢＴ斩波管封装 的ＩＧＢＴ模块； （ｆ）带有温度传感器的半桥ＩＧＢＴ模 立整流管的两单元同时共栅与共发射极封装的ＩＧ． 块； （ｇ）带有温度传感器的； （ｈ）带有温度传感 ＢＴ模块； （１３）三单元同时共栅与共发射极封装的 ＩＧＢＴ模块； （０）四单元单相桥封装的ＩＧＢＴ模块； （Ｐ）四单元两个独立半桥封装的ＩＧＢＴ模块； （ｑ）由 不带续流二极管的ＩＧＢＴ与独立整流管组成四单元 封装的ＩＧＢＴ模块； （ｒ）单单元三相全控桥封装的 器的三相整流桥与ＩＧＢＴ斩波管封装的ＩＧＢＴ模块； （ｉ）带有温度传感器的晶闸管半控桥与ＩＧＢＴ斩波管 混合封装的ＩＧＢＴ模块； （ｉ）带有温度传感器的三 相整流桥与三相ＩＧＢＴ逆变桥及ＩＧＢＴ斩波回路封装 的ＩＧＢＴ模块；（ｋ）带有温度传 ｆ下转第６０页） 圈国霾翻囤
读者园地 闸管不导通，当磁铁靠近霍尔传感器时，双向晶 闸管导通，灯泡亮，但当磁铁离开霍尔传感器时， 双向晶闸管关断，灯泡就灭了。如果想让磁铁离 关断。 开关型霍尔传感器还可以控制反相器输出端 高低电平的变化，如图７（ｅ）和７（ｆ］所示。平时反 开霍尔传感器，双向晶闸管不关断，灯泡不灭， 可以用双稳态输出ｆ带锁存）的Ｈ１３００开关型霍尔 相器输出为低电平．当磁铁靠近霍尔传感器时， 反相器输出变为高电平。霍尔传感器可以直接控 制ＴＴＬ型或ＣＭ０Ｓ型的反相器或其他数字集成电路。 以上只是举例说明开关型霍尔传感器的控制 传感器代替Ａ３１４４。代替后，当磁铁的Ｓ极靠近 Ｈ１３００有型号标志的一面时，双向晶闸管导通。且 在磁铁离开后维持导通，只有当磁铁的Ｎ极再靠近 霍尔传感器有型号标志的一面时，双向晶闸管才 （上接第５７页） ２ 作用。只要明确霍尔传感器的工作原理，就可以 用霍尔传感器控制更多的元器件。囹 ２ ‘ 】 Ｃ ２ ２ ２ ｌ ２ （ｔ＇） ‘ ｊ ＝ｏ— ‘ ２ 耳、 （ｄ） ｌ ｏ－ （Ｄ ｊ ２ （ｇ） ２ 舔 ａ） （ｍ） 一一卸一 （ｎ） ＩＮ２３ ＩＧＢＴ｝￣！ 内部电路结构图（二） ２ ２ 感器的单相整流桥与￣ＨＩＧＢＴ逆变桥ＩＧＢＴ斩波回 ＢＴ逆变桥及ＩＧＢＴ斩波回路、电流互感器封装的ＩＧ． ＢＴ模块； （ｎ）带有温度传感器的六单元三相全控 桥及电流互感器封装的ＩＧＢＴ模块。 （未完待续） 路封装 ＩＧＢＴ； （１）带有温度传感器的单相整流 桥与三相ＩＧＢＴ逆变桥及电流互感器封装的ＩＧＢＴ模 块； （ｍ）带有温度传感器的三相整流桥与三相ＩＧ一
