IGBT的学习【一】

下面是汇川技术对于IGBT的认知要求：

熟练掌握IGBT，MOS，运放，光耦，MCU，复位等硬件知识；

熟练掌握IGBT器件的工作原理、开关特性、损耗分析等知识，掌握IGBT的驱动技术，掌握开关电源技术，了解电子元器件常见失效模式；

IGBT的寄生二极管：

        IGBT的寄生二极管和MOSFET是不同的，MOSFET是体二极管是因为他的结构决定的，反向有个PN结，可以反向流通。IGBT因为是双极性的，是PNP结构反向无体二极管。IGBT的二极管是厂家加上去的，也有IGBT没有二极管。也就是说MOSFET的二极管可以称为体二极管或者寄生二极管，IGBT的二极管是厂商加的，并不是寄生的。

        IGBT与MOSFET不同，内部没有寄生的反向二极管，因此在实际使用中(感性负载)需要搭配适当的快恢复二极管。在开关电源或电力电子应用中，尤其是处理感性负载（如电机、电感器、变压器等）时，负载中的电流常常会在开关设备关闭后反向流动，形成所谓的反向电流。这种反向电流会对器件产生压力，可能导致损坏。因此，在实际应用中，通常需要在IGBT或MOSFET中并联一个反向二极管来提供反向电流通路，保护器件免受损害。

        MOSFET天生具有内建的寄生二极管（称为体二极管或反向二极管），它通常是MOSFET结构的一部分。这意味着当MOSFET关闭时，如果负载产生反向电流，反向电流会通过这个内建的二极管流动，起到保护作用。这使得MOSFET可以直接承受感性负载而无需额外的二极管保护。但有些时候为了加强保护，也会在MOS外面并联一个二极管。

碳化硅要双电源供电。

在选型 IGBT（绝缘栅双极型晶体管） 时，需要考虑多个关键参数，以确保其适合特定应用和工作条件。以下是常见的选型参数及其解释：

1. 额定电压 (V_CEO)

• 这是IGBT的最大集电极-发射极电压，通常选择时要确保工作电压低于此值。
• 一般选择时考虑额定电压是工作电压的1.5-2倍，以提供足够的安全裕度。
• 常见的额定电压范围：600V, 1200V, 1700V, 3300V。

2. 额定电流 (I_C)

• 额定电流是指IGBT在正常工作条件下可以持续承受的最大集电极电流。
• 根据负载的需求选择合适的额定电流，通常选择的额定电流要高于最大工作电流，留有裕度。
• 注意：额定电流不仅与温度有关，还与开关频率和负载类型有关。

3. 开关频率 (f_switch)

• IGBT的开关频率通常较低（与MOSFET相比），一般在20kHz到50kHz之间。
• 在高频应用中，可能需要选择具有较低开关损耗的IGBT，以提高效率。
• 高频应用可能要求较小的输入电容和较低的驱动功耗。

4. 导通压降 (V_CE(sat))

• 这是在最大工作电流下，集电极-发射极之间的电压降。通常在设计时，尽量选择V_CE(sat)较低的IGBT，以降低功率损耗。
• 较低的V_CE(sat)通常意味着较低的导通损耗，有利于高效率设计。

5. 开关时间（t_on / t_off）

• 这些是IGBT从导通到关断（或反之）的时间。较短的开关时间有助于提高开关频率和减少开关损失。
• 开关时间的选择与控制驱动电路的特性以及电路设计相关。

6. 热阻 (R_thJC / R_thCS)

• 热阻表示从结到外部环境的热传导能力。热阻越低，IGBT的散热性能越好。
• 在高功率应用中，确保选择合适的散热设计和低热阻IGBT，以避免热失控。

7. 门极驱动电压 (V_GS)

• IGBT需要特定的门极驱动电压来进行开关控制。通常门极电压范围为10V-20V。
• 确保驱动电路能够提供稳定的门极电压。

8. 耐压和封装类型

• IGBT的封装类型（如TO-220, TO-247, D2PAK等）会影响散热和机械安装方式，通常需要根据实际的散热需求来选择。
• 对于高功率应用，常见的封装类型包括TO-247、TO-263等，而低功率应用可能使用TO-220。

9. 关断时间 (t_off) 和反向恢复时间 (t_rr)

• 关断时间和反向恢复时间影响IGBT的开关性能，尤其是在高频应用中较为重要。
• 选择关断时间较短的IGBT有助于提高开关频率，降低开关损耗。

10. 可承受的峰值电流 (I_CRM)

• I_CRM表示IGBT能够承受的最大瞬时电流。这通常是一个短暂的峰值电流值，需要保证在工作过程中不会超过此值。

11. 短路耐受时间

• IGBT在发生短路时能够耐受的时间。在设计时，必须确保在出现短路事件时IGBT不会损坏。

12. 芯片温度 (T_j)

• 芯片的最大结温是IGBT的重要参数，通常为125°C、150°C、175°C等。
• 设计时必须考虑到温度保护和散热措施，以防止IGBT因过热而损坏。

13. 抑制电压 (V_GE(th))

• 这是门极到发射极的门极阈值电压，表示IGBT开始导通所需的最小电压。

注意下图的VCEset以及导通损耗的计算方法：

IGBT驱动电路：

该电路是一个典型的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）驱动电路，下面我将逐一说明各个关键元件的作用：

1. 输入端（IN+ 和 IN-）

• 作用：
  这是驱动电路的输入信号端，用来接收PWM信号或控制信号。
  • IN+ 和 IN-： 差分信号输入端，用于提高抗干扰能力。如果只用单端输入，一般会将IN-接地。
  • 输入信号通过光耦隔离后控制IGBT的开关状态。

2. 光耦隔离器部分

• 作用：
  通过光耦实现输入信号与高压侧IGBT驱动的电气隔离，保护低压侧电路不受高压干扰。
  • 光耦隔离器中包括输入信号和驱动级电路（如箭头所指的符号代表的驱动模块），这个模块内部集成了光耦和栅极驱动电路。
  • 光耦驱动的输出信号通过内部电路驱动IGBT栅极。

3. 输出端（OUT 和 CLAMP）

• OUT 引脚：
  • 这是驱动信号输出端，用于控制IGBT栅极。
  • 输出电压一般是15V（导通）和负电压（如-5V或-15V，关断），这样可以快速开关IGBT。
• CLAMP 引脚：
  • 通过钳位电路限制IGBT栅极电压，避免过高或过低的电压损坏IGBT。
  • 一般会通过一个钳位二极管将栅极电压限制在安全范围内。

4. DESAT 引脚（失饱和检测）

• 作用：
  检测IGBT是否进入失饱和状态。如果IGBT在开通状态下电压过高，说明过流或失饱和发生，该引脚会触发故障信号。
  • 外接电容和电阻用于调节检测时间常数。
  • 如果触发失饱和保护，驱动芯片会迅速关闭IGBT，并通过 FLT（故障输出） 通知外部控制器。

5. 10Ω 电阻

• 作用：
  • 限流保护作用，避免驱动芯片直接驱动大电流造成损坏。
  • 同时可以降低驱动信号的尖峰电流，抑制EMI（电磁干扰）。

6. 1kΩ 电阻与二极管（栅极端）

• 作用：
  • 1kΩ 电阻： 限制栅极关断时的反向电流，并与二极管配合，形成一个消除尖峰的缓冲回路。
  • 二极管： 快速释放栅极电荷，加速IGBT的关断，提高开关速度。

7. 220pF 电容（栅极端）

• 作用：
  • 用于减缓栅极信号的上升和下降速度（栅极电流的di/dt），防止过冲和振荡，保证IGBT开关过程的稳定性。

原文：【IGBT数据手册、IGBT参数 IGBT电路模型，IGBT驱动电路 IGBT过流保护电路、去饱和电路工作原理、退饱和保护电路,绝缘栅双极晶体管华润微士兰微】https://www.bilibili.com/video/BV1XK41197ow?vd_source=3cc3c07b09206097d0d8b0aefdf07958