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电动汽车工程师必知的IGBT知识及应用

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发表于 2017-4-17 10:04:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
随着上市的电动汽车越来越多,普及电动汽车有关知识显得越来越来重要了。对汽车工程技术人员要求就高一些,什么是电机?什么是电机控制器?什么是逆变器?什么是IGBT?这些知识及应用常识以前没有学过,今天却要求掌握,否则会成为外行,如果不及时补充这些知识,最后可能会被淘汰掉。
如今电动汽车应用越来越多的新知识、新技术,如:电机控制器或者逆变器型号、规格越来越多。要真正理解它的工作原理,必须要对其基础理论进行学习,有了基础知识,再结合实际产品进行对照,基本上可以掌握电机控制器或者逆变器的工作原理,进而就可以科学匹配设计。下面对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及应用进行讨论,供初级工程技术人员参考。
一、“绝缘栅双极型晶体管”的通俗理解
绝缘栅双极型晶体管是《电工学》中的一个专业术语,如何正确理解有一定难度。笔者对个这术语进行通俗的解释。
①管:理解水管的功能即可。水从管子一头流进去,从另一头流出。水是液体的,管子对水而言,就是导管。
②晶体管:水管子的材料有水泥的,也有用橡胶的等。晶体管的材料是晶体结构的,电子可以这一“头”流进去,从另一“头”流出。水管中是“空”腔,水才能流动,晶体结构材料的晶体“管”里也有“空”腔的,电子才能流动。不过水管的“空”腔,肉眼可以看到,而晶体管的“空”腔,肉眼是看不到的。于是有把“头”换成“极”,即可以这样表述了,即电子可以这一“极”流进去,从另一“极”流出。最典型是晶体二极管。二极管最大特点,只容许电子在里面的流动是单向的(正向流动),反向是流不通的。这个特性,对二极管而言,叫做单向导通性能。
④双极型晶体管:把2个二极管的开关特性进行组合起来,且进行控制,可行实现电子在晶体管中的双向流动。好比水管中间装一些三通,配合一些阀门,水的流向、流量可行进行控制了。在二级管基础进行新组合,对双极型晶体管而言,有了开关特性了。
⑤绝缘栅双极型晶体管:绝缘栅简单理解是一个阀门。通俗的理解,是带阀门控制的能控制电子双向(多向)流动的晶体管。
二、认识绝缘栅双极型晶体管
(1) 二极管
①不同二极管外形:外形有圆柱`圆球`半透明玻璃,现在有贴片,工业有铁壳的,晶体二极管是用硅或锗材料制造的半导体器件,它的内部是一个具有单向导电性的PN结。一头是正极,一头是负极。

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图1  不同二极管的外形
②二极管特性:正向导通,反向截至的特性。一头是正极,一头是负极,电流从正极流向负极。
③按用途分为:整流,稳压,开关,光敏,热敏,发光等二极管。
(2)三极管
三极管比二极管多一个极(通俗地理解是三个引线,二极管是二个引线)。二极管正向导通,反向截至的特性是材料特性。三极管是在二极管的特性上,有了控制特性,这是产品特性了。
①三极管外形及符号:


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图2  三极管外形及符号
②其开关原理
当Vin为低电压时,由于基极没有电流,因此集电极亦无电流,致使连接于集电极端的负载亦没有电流,而相当于开关的开启,此时三极管乃工作于截止(cut off)区;
同理,当Vin为高电压时,由于有基极电流流动,因此使集电极流过更大的放大电流,因此负载回路便被导通,而相当于开关的闭合,此时三极管乃工作于饱和区(saturation)。
(3)场效应晶体管
也叫电力场效应晶体管,是一种电压控制器件,从外表来看,仍然是三根引线,场效应晶体管已经很多个PN结的集成电路了,其生产工艺比二、三管复杂多了。
①场效应晶体管内部结构、符号、集成板

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图3   场效应晶体管内部结构、符号、集成板
②场效应晶体管
有自关断能力,而且有驱动功率小,开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,其电流、热容量小,耐压低,易于驱动和开关频率可高达500kHz。
③场效应晶体管基本用途
适于高频化电力电子装置,如应用于DC/DC变换、开关电源、便携式电子设备、航空航天以及汽车等电子电器设备中。
(4)绝缘栅双极型晶体管
在业内简称:IGBT。二极管、三极管通常用在无线电路里,而IGBT用在高压控制电路里。基本理解其功能也是控制电路流向的器件。绝缘栅双极型晶体管,集MOSFET和GTR的优点于一身,具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点,已广泛应用于变频器和其他调速电路中。

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                   图4   理想等效电路与实际等效电路

绝缘栅双极型晶体管基本特性如下:
①静态特性
IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
②IGBT的开通过程、关断过程

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表1:IGBT的开通过程、IGBT关断过程

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          图5    IGBT的开通过程、IGBT关断过程电气变化特性
三、IGBT是应用在高压(高功率)电路变化的开关器件
过去的二(三)晶体管(集成块)基本应用在收音机、电视机等控制(变化)电路里。目前汽车低压电路里依然大量使用二(三)晶体管(集成块)等电子器件,但是新能源(电动汽车)驱动,是高压(大功率)的,过去的二(三)晶体管(集成块)基本就用不了。于是产生了IGBT,其基础理论还是电子技术(模拟、数字的)。IGBT已经是大功率的、大规模的集成电子器件了。发展新能源汽车,其中要大量应用IGBT。没有这个器件的支撑,没有可能有电动驱动模块。
目前中国发展汽车的一个严重的短板是,IGBT器件大部分是进口的。电动汽车工程师必须知道IGBT知识及应用。中国目前正在追赶,尤其中车公司已经有了可靠的产品面世,中车公司自己的新能源汽车用他们自己IGBT器件更多一些。中国长期用外国公司IGBT器件,很难把控核心技术,成本优势不明显。
笔者观点,多用国产的IGBT器件的为宜。实际产品开发中如何搭配国外与国内IGBT器件,有待更多电动汽车工程师对IGBT器件的工作原理、具体产品的性能优劣有更多的了解和掌握。
话说回来,电动汽车工程师对IGBT没有必要太神秘了,简单理解是二(三)晶体管(集成块)升级而已,其内部结构比较复杂,但是对其外部特性掌握,其实没有什么难度的。
IGBT
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品;封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上;

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;随着节能环保等理念的推进,此类产品在市场上将越来越多见;

IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。

工作特性


静态特性
90.jpg 三菱制大功率IGBT模块
IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大。它与GTR 的输出特性相似.也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ,正向电压由J2 结承担,反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。

动态特性
动态特性又称开关特性,IGBT的开关特性分为两大部分:一是开关速度,主要指标是开关过程中各部分时间;另一个是开关过程中的损耗。
IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时,由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时,通态电压Uds(on) 可用下式表示::
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
式中Uj1 —— JI 结的正向电压,其值为0.7 ~1V ;Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降;Roh ——沟道电阻。
通态电流Ids 可用下式表示:
Ids=(1+Bpnp)Imos
式中Imos ——流过MOSFET 的电流。

由于N+ 区存在电导调制效应,所以IGBT 的通态压降小,耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ~ 3V 。IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。

IGBT 在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET 来运行的,只是在漏源电压Uds 下降过程后期, PNP 晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间,tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和,漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行触发,不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后,PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟时间,trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间

t(off)=td(off)+trv十t(f)
式中:td(off)与trv之和又称为存储时间。
IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3~4V,和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求;高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV以上,目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件,德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域。与此同时,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。2013年9月12日 我国自主研发的高压大功率3300V/50A IGBT(绝缘栅双极型晶体管)芯片及由此芯片封装的大功率1200A/3300V IGBT模块通过专家鉴定,中国自此有了完全自主的IGBT“中国芯”。

原理
方法
IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,同一个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。

导通
IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似,主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1),其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。最后的结果是,在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET 电流); 一个空穴电流(双极)。

关断
当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入N-区内。在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低,完全取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种因素有关,如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题:功耗升高;交叉导通问题,特别是在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此,根据所达到的温度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。

阻断与闩锁
当集电极被施加一个反向电压时, J1 就会受到反向偏压控制,耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度,将无法取得一个有效的阻断能力,所以,这个机制十分重要。另一方面,如果过大地增加这个区域尺寸,就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时,P/N J3结受反向电压控制,此时,仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管(如图1所示)。在特殊条件下,这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加,对等效MOSFET的控制能力降低,通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁,具体地说,这种缺陷的原因互不相同,与器件的状态有密切关系。通常情况下,静态和动态闩锁有如下主要区别:

当晶闸管全部导通时,静态闩锁出现,只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象,有必要采取以下措施:防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别,降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外,闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响,因此,它与结温的关系也非常密切;在结温和增益提高的情况下,P基区的电阻率会升高,破坏了整体特性。因此,器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例,通常比例为1:5。

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