1、武汉理工大学毕业设计（论文） 武汉理工大学本科生毕 业设计（论文 )任务书 学生姓名 ： 专业班级： 自动化 指导教师： 工作单位： 自动化学院 设计 (论文 )题目 : 大功率 IGBT驱动电路设计 设计（论文）主要内容： 研究目前市场大功率 IGBT的特性， 并 针对 1200V， 450A的 IGBT模块 设计隔离型 IGBT驱动电路 及实现电路的保护 。完成硬件电路设计。 要求完成的主要任务 : 1学习 MATLAB 软件相关知识内容；学习 MATLAB 软件相关知识； 2具体了解单管 IGBT 结构和工作原理，知道 IGBT 的基本特性（静态特性、动态特性）（了解内容：正反电压 GE
2、U 、集电极电流 CI 、射集电压 CEU 、集电极功耗 CMP ）； 3具体了解 IGBT 模块分别在低压小电流驱动和高压大电流驱动条件下的驱动要求，选取高压大功率的 IGBT 模块进行了解并设计其驱动电路（ IGBT 模块选取 1200V， 450A 的FF450R12KT4 型号）； 4设计隔离型 IGBT 驱动电路的硬件电路； 5撰写毕业设计论文，字数不少于 15000； 6完成外文文献翻译，字数约为 5000 左右。 必读参考资料： 1 林飞 杜欣电力电子应用技术的 MATLAB 仿真 M.北京 ：中国电力出版社， 2009 2 王兆安 刘进军电力电子技术 M.北京：机械工业出版社，
3、 2009 3 Abraham I.Pressman 著 Switching Power Supply DesignM.王志强 译北京：电子工业出版 社， 2010 4 陈坚电力电子学电力电子变换和控制技术 M.北京：高等教育出版社， 2002 指导教师签名： 系主任签名： 院长签名 （ 章 ） ： 武汉理工大学毕业设计（论文） 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 绝缘栅双极晶体管（ IGBT）为第三代电力电子器件，是 80 年代初为解决金属氧化物场效应管（ MOSFET）的高导通压降、难以制成兼有高压和大电流特性和大功率晶体管（ GTR）的工
4、作频率低、驱动电路功率大等不足而出现的双机理复合器件，是MODFET 和 GTR 结合的产物。它结合了这两种器件的优点，比 MODFET 减少了导通损耗，增大了导通电流，比 GTR 开关速度快，驱动功率小，开关频率高，而且耐压等级也显著提高。 诸多的优良特性使得 IGBT 成为大中功率开关电源、逆变器、高频感应加热有源滤波器、家用电器等需要电流变换成和的理想功率器件。特别是近几年来，变频驱动、有源电力滤波器、轻型直流输电、 UPS 电源、电焊机、医疗仪器等电力电子的应用技术风起云涌， IGBT 作为主流的功率输出器件，应用日趋 广泛。在要求快速低损耗的电力电子应用范围内，在中、低频功率功率控制
5、应用中， IGBT 最具独特性能。 众所周知，电力电子技术和应用装置的发展水平很大程度上依赖于电力电子器件的发展水平，而电力电子器件的使用性能还会依赖于电路条件和开关环境。 IGBT也不例外，驱动保护电路的设计师 IGBT 应用中一个很重要的环节，也是应用设计的难点和关键。性能优良的驱动保护电路是保证 IGBT 高效、可靠运行的必要条件。 目前 IGBT驱动器的形式多种多样各有其特点，下面介绍几种典型常用的驱动器： 1双绞线传输式驱动器：门极驱动电路的输出 线为绞合线，为抑制输入信号的振荡现象，在门源端并联一阻尼网络，由 1 电阻和 0.33 F 电容器组成阻尼振荡器。另外，驱动电路的输出级与
6、 IGBT 的输入端之间的连接串有一只 10 的门极电阻。 2.光电耦合隔离式驱动器：输入信号 iU 经光电耦合器隔离后引入驱动电路，经放大器放大由推换电路 V2， V3 向 IGBT 提供门极驱动信号。 V2 通过 + CU 得到一个正向门极电压，当 V2 截止， V3 导通是得到一个负的门极电压并截止。另外设计了过电流保护装置。当电流信号来时， IGBT 脱离饱和状态， DSU 升高， VD1 检测到该信号，一方面通过光耦向控制回路发信号，另一方面在较短的时间内降低门极电压使 IGBT关断。 3.变压耦合隔离式驱动器：由控制脉冲生成单元产生的脉冲信号经晶体管 V 进武汉理工大学毕业设计（论
7、文） 行功率放大后加到脉冲变压器 T，并由 T隔离耦合经稳压管 VS1， VS2限幅后驱动 IGBT。驱动级不需专门的直流电源，简化了 电路结构，且工作频率高，可达 10KHZ 左右。 2、基本内容和技术方案 首先针对自己的研究课题，经过查阅相关书籍资料了解 IGBT 元件的工作原理及其特性，从而掌握该元件的本质特点。然后阅读学习关于 IGBT 驱动电路的文献资料，深入的了解驱动电路的基本工作原理，为自己的电路初步设计奠定下基础。同时针对驱动电路中的对于 IGBT元件的保护电路所 需 选择的措施 及栅极电阻的选择 进行研究，最终根据自己设计的驱动电路的特点采取正确的保护措施，从而进一步的更好的
8、完成本次的关于 IGBT 驱动电路设计的课题研究。 通过查阅学习关于 IGBT 元件的 资料文献 ， 了解到 IGBT（ 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 ，而且还学习了该元件的静态特性和动态特性。 IGBT 的栅源特性呈非线性电容性，并工作于高频开关状态，其快速通断导致过高的电流尖峰，在控制回路中产生干扰，引起振荡。因此， 设计的驱动电路 选用 具有 足够的瞬时电流吞吐能力及快速 通断的 光耦 合隔离器 。同时， 由于
9、IGBT 的 驱 动电路要保证一条低阻抗的放电回路， 同时驱 动电源的内阻一定要小，即栅极电容充放电速度要快，以保证 VGE 有较陡的前后沿，使 IGBT 开关损耗尽量要小，所以必须对上面需求进行仔细的研究。 整体 驱动电路的结构和参数会对 IGBT 的运行性能产生显著影响，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗 dv/dt 的能力等。 在进行设计时必须要 根据 IGBT的型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发挥 IGBT 的性能是十分重要的。 IGBT 驱动电路中栅极电阻的研究也是十分重要的，栅极电阻可以消除栅极振荡、转移驱动器件的功率损耗和调节开关的通断速度，所以必须针对栅极电阻
10、选取 的注意方面及其与 IGBT 的在电路中的关系的进行讨论研究。 过流问题是 IGBT 和设备安全运行的重要因素，对于 1200V/450A 的 IGBT 模块来说导通压降为 2V 左右。工程上常采用调整串联在 IGBT 集电极与驱动块之间的二极管个数。其存在的问题是只能阶梯式地调整，而 0.7V 的动作电压反映在 IGBT 上，Ic 将产生很大的变化，很难做到精确设定过流保护的临界动作点。在进行毕业设计武汉理工大学毕业设计（论文） 的过程中，要注意上面 IGBT 应用的必要条件，完成电路原理图的绘制，完成字数不少于 1.5 万字的毕业设计论文。 3、进度安排 第 1 2 周： 毕业实习，撰
11、写毕业实习报告； 第 3 4 周： 翻译外文资料，初步确定方案，完成开题报告； 第 5 周： 确定最终方案，并进行可行性分析； 第 6 9 周： 硬件设计及程序代码编制； 第 10 11 周： 综合调试，根据结果完善系统； 第 12 14 周： 完成论文撰写； 第 15 周： 论文答辩； 第 16 周： 论文装订 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 武汉理工大学毕业设计（论文） I 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 课题研究意义 . 2 1.3 研究现状 . 3 1.3.1 产品现状 . 3 1.3.2 技术现状 .
12、4 1.4 主要研究内容 . 5 2 IGBT 的基本结构及 IGBT 模块选型 . 7 2.1 IGBT 的结构及工作原理 . 7 2.2 IGBT 的基本 工作特性 . 9 2.3 IGBT 模块选型 . 11 3 IGBT 驱动研究 . 12 3.1 驱动电路设计要求 . 12 3.2 IGBT 的驱动电路选型 . 12 3.3 IGBT 驱动电路中栅极电阻的研究 . 14 3.3.1 栅极电阻的作用 . 14 3.3.2 栅极电阻的选取 . 14 3.3.3 设置栅极电阻的注意事项 . 15 3.3.4 栅极电阻和 IGBT 的关系讨论 . 15 4 IGBT 保护电路设计 . 19
13、4.1 IGBT 栅极的保护 . 19 4.2 IGBT 的过电流保护 . 19 4.3 IGBT 开关过程中的电压保护 . 22 4.4 IGBT 的过热保护 . 25 4.5 IGBT 驱动保护设计总结 . 26 5 隔 离型 IGBT 驱动电路硬件设计 . 27 5.1 IGBT 驱动电路原理图 . 27 5.2 正常开通与关断过程 . 27 5.3 保护电路的工作 . 27 5.4 IGBT 驱动电路的整体电路图 . 29 6 总结与展望 . 30 参考文献 . 31 附 录 . 32 致 谢 . 35 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘 要 绝缘栅双极型晶体管 IGBT 是一种由双
14、极型晶体管与 MOSFET 组合的器件，它既有MOSFET 的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极型晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点。 基于此特点，在应用的广泛领域中的 IGBT 是非常重 要的原件，所以开设关于大功率 IGBT 驱动电路的设计的课题研究非常有意义。 在电力电子器件中， IGBT 的综合性能方面占有明显优势，并广泛地运用在各类电力变换装置中。然而如何有效地驱动并保护 IGBT，成为电力电子领域中的重要研究课题之一。本文讨论了 IGBT 的内部结构原理及 IGBT 元件其静态和动态特性， 研究 讨论了 IGBT 驱动电路的主要种类和电路的各种保护方式及栅极电阻对于 IGBT
15、 性能以及对驱动电路与过流保护电路的要求。 本文 利用 IGBT 的通态饱和压降与集电极电流呈近似线性关系的特性，设计一个具有完善的过流过压保护 功能的 IGBT 驱动电路。经过对于相关资料的分析和实验，设计出具有简单、实用、可靠性高等优点的 IGBT 驱动电路。 关键词 ： IGBT； 驱动电路 ； 过流保护 武汉理工大学毕业设计（论文） II Abstract Insulation grid double pole transistor IGBT is one kind by the double pole transistor and the MOSF ET combination co
16、mponent, it both has the MOS F ET grid bias control split-second-selection characteristic, and has the double pole transistor big electric current handling ability and the low saturated pressure drop characteristic. Based on this feature in the broad field of application of IGBT is very important in
17、 the original, so the creation of high-power IGBT drive circuit on the design of the research is very meaningful. In power electronic devices, the combination property of IGBT has clear superiority, which is widely used various electric equipment However， now to drive and protect IGBT effectively ha
18、s become one of the important tasks in power and electronic fields. This article discusses the principles of the internal structure of IGBT and IGBT components of its static and dynamic characteristics. Also discussed the main types of IGBT drive circuit and the circuit resistance of various protect
19、ive methods and the IGBT gate drive circuit performance and on the requirements and over-current protection circuit. Using IGBTs on-state saturation voltage and collector current approximately linear relationship between characteristics. At the same time, design a IGBT driver circuit which has a com
20、plete over-voltage and over-current protection function . After the relevant information for analysis and experiments, designed with simple, practical, and high reliability of the IGBT driver circuit. Key words： IGBT； Driving Circuit； Over-current protection武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 引言 近年来，随着大功率半导体开
21、关器件发展和生产工艺的日益成熟，特别是 20 世纪 80年代 IGBT(绝缘栅双极晶体管 )的出现，逐步实现了采用 IGBT 做开关管的全固态大功率调制器和高压开关电源。 IGBT 是 MOS 与 BJT 的复合型功率器件，这种器件属于场控功率管，有着开关速度快、耐压高、开关功率大、管压降小等特点。采用 IGBT 作为开关器件的调制器和高压电源，不但具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高、易模块化设计等优点，而且没有电子管的寿命问题，使用和维护费用也随之下降。 IGBT 的驱动电路要求驱动能力强、保护迅速有效。 1979 年， MOS 栅功率开关器件作为 IGBT 概念的先驱即已被介绍到世间。这
22、种器件表现为一个类晶闸管的结构（ P-N-P-N 四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了 V 形槽栅。 80 年代初期，用于功率 MOSFET 制造技术的 DMOS（双扩散形成的金属 -氧化物 -半导体）工艺被采用到 IGBT 中来。在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的 NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用 PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的 n+缓冲层而进展的。几年当 中，这种在采用 PT 设计的外延片上制备的 DMOS 平面栅结构，其设计规则从5 微米先进到 3 微米。 90 年代中期，沟槽栅
23、结构又返回到一种新概念的 IGBT，它是采用从大规模集成（ LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（ PT）型芯片结构。在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。 硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（ NPT）结构，继而变化成弱穿通（ LPT）结构，这就使安全工作区（ SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善。 这次从穿通（ PT）型技术先进到非 穿通（ NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（ PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通
24、（ NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（ NPT）技术又被软穿通（ LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的 “软穿通 ”（ SPT）或 “电场截止 ”（ FS）型技术，这使得 “成本 性能 ”的综合效果得到进一步改善。 1996 年， CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第 5 代 IGBT 模块得以实现，它采用了弱穿通（ LPT）芯片结构 ， 又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种 “反向阻断型 ”（逆阻型）功能或一种 “反向导通型 ”（逆导型）功能的 IGBT 器件的新概念正在进行研究，以求得进一步
25、优化。 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 IGBT 功率模块采用 IC 驱动，各种驱动保护电路，高性能 IGBT 芯片，新型封装技术，从复合功率模块 PIM 发展到智能功率模块 IPM、电力电子积木 PEBB、电力模块 IPEM。PIM 向高压大电流发展，其产品水平为 12001800A/18003300V， IPM 除用于变频调速外， 600A/2000V的 IPM已用于电力机车 VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流 IGBT模块为有源器件的 PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。 IPEM 采用共烧瓷片多芯片模块技术组装 PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代
26、 IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中 ， 智能化、模块化成为 IGBT 发展热点。 现在 ,大电流高电压的 IGBT 已模块化 ,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外 ,现在已制造出集成化的 IGBT专用驱动电路 .其性能更好 ,整机的可靠性更高及体积更小。 1.2 课题研究意义 电 力 电子技术 的应用 在当今的工业领域里起到了不可替代的作用 ， 而 IGBT 在诸如变频器、大功率开关电源等电力电子技术的能量变换与管理应用中，越来越成为各种主回路的首选功率开关器件，因此如何安全可靠地驱动 IGBT 工作，也成为越来越多的设计工程师面临需要解决的课题。 IGBT 开发之初
27、主要应用在电机、变换器（逆变器）、变频器、 UPS、 EPS 电源、风力发电设备等工业控制领域。在上述的应用领域中， IGBT 凭借着电压控制、驱动简单、开关频率高、开关损耗小、可实现短路保护等优点，在 600V 及以上中压应用领域中竞争力逐步显现。在 UPS、开关电源、电车、交流电机控制中已逐步代替 GTO、 GTR。由于 SCR和 GTO 具有极高的耐压能力和较大的通过电流，目前在高压大电流应用中 SCR 和 GTO仍占有统治地位。随着人们节能意识的逐步增强，变频空调、变频洗衣机等变频家电比例的逐年扩大。为了简化电路设计，提高 IGBT 使用的可靠性，变频家电中主要使用集和驱动电路、保护电
28、路等功能于一体的 IGBT 智能模块。 IGBT 在汽车中的应用主要集中在汽车点火器上，已成功地取代达林顿管成为汽车点火器的首选。飞兆、英飞凌、 ST在该市场中有很强的竞争力。 中国铁路的发展离不开大量 电力机车和高速动车组 ， 电力机车需要 500个 IGBT，动车组需要超过 100 个 IGBT，一节地铁需要 5080 个 IGBT 模块。粗略估计上述轨道交通市场对 IGBT 模块的需求将超过 三 百万个 ，可以想见轨道交通给 IGBT 市场所带来的空前机遇和发展空间 。 当 低碳经济，节能减排 成为经济工作的重点时，市场对节能概念接受能力较强。在节能减排的大环境下， IGBT 一方面拥有
29、新技术带来的广阔的市场空间，另一方面从技术发展路线来看又对以往的功率器件产品有一个逐步替代的作用。 2009 年我国 IGBT 市场为 53亿元左右 ，目前我国 IGBT 市场 占整个功率器件市场 份额尚不足 10 ，我们预计未来几年IGBT 市场随着节能减排的推进将得到快速发展， 增速将达到 20 30 ，远超整个功率器件市场。由于关键技术的缺失，中国功率器件市场绝大部分份额被国外厂商占领，在国家政策扶持下，目前中国 IGBT 行业中高端技术已有突破，部分厂商已具备量产能力。 IGBT 模块发展趋向是 高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成本 为目标的，武汉理工大学毕业设计（论文） 3
30、 特别是发展高压变频器的应用，简化其主电路，减少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等，都与 IGBT 有密切的内在联系 。 随着大功率 IGBT 在生产中的应用越来越加广泛，那么 IGBT 的驱动电路也得到了成熟的发展。 在使用 IGBT 构成的各种主回路之中，大功率 IGBT 驱动保护电路起到弱电控制强电的终端界面 (接口 )作用 。 因其重要性，所以可以将该电路看成是一个相对独立的 “ 子系统 ” 来研究、开发及设计。 大功率 IGBT 驱动保护电路一直伴随 IGBT 技术的发展而发展，现在市场上流行着很多种类非常成熟的大功率 IGBT 驱动保护电路专用产品，成为大多数设计工
31、程师的首选 ；也有许多的工程师根据其电路的特殊要求，自行研制出各种专用的大功率 IGBT。 驱动保护电路 而 IGBT 行业中的高端技术重点在于怎样驱动以及保护 IGBT 正常工作。 1.3 研究现状 1.3.1 产品现状 当前市场上的成品驱动器 ,按驱动信号与被驱动的绝缘栅器件的电气关系来分 ， 可分为直接驱动和隔离驱动两种 ， 其中隔离驱动的隔离元件有光电耦合器和脉冲变压器两种。 不隔离的直接驱动器 ： 在 Boost、全波、正激或反激等电路中，功率开关管的源极位于输入电源的下轨， PWM IC 输出的驱动信号一般不必与开关管隔离，可以直接驱动。如果需要较大的驱动能力 ， 可以加接一级放大
32、器或是串上一个成品驱动器。直接驱动的成品驱动器一般都采用薄 膜工艺制成 IC 电路，调节电阻和较大的电容由外引脚接入。目前的成品驱动器种类不少，如 TI 公司的 UCC37XXX 系列， TOSIBA 公司的 TPS28XX 系列，0nsemi 公司的 MC3315X 系列， SHARP 公司的 PC9XX 系列， IR 公司的 IR21XX 系列，等等，种类繁多 。 光电耦合器的隔离驱动器 ： 隔离驱动产品绝大部分是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅器件，采用厚膜工艺制成 HIC 电路，部分阻容元件也由引脚接入。目前市售的光电耦合型驱动器产品，主要有 FUJI 公司的 EXB
33、8XX 系列、 MITSUBISHI 公司的 M579XX 系列、英达公司的 HR065 和西安爱帕克电力电子有限公司的 HL402B 等，以及北京落木源电子技术有限公司的 TX-KA 系列。 TX-KA 系列驱动器保护功能完善、工作频率高、价格便宜，并能与多种其它类型的驱动器兼容。此类产品，由于光电耦合器的速度限制，一般工作频率都在 50KHz以下 (TX-KA101 可达 80K)。它们的优点是大部分具有过流保护功能，其过电流信号是从 IGBT 的管压降中取得的；共同的缺点是需要一个或两个独立的辅助电源，因而使用较为麻烦。 由于成本问题，该类产品价格稍高，因此只适用于在 大功率电源中驱动 IGBT 模块，在中小功率领域难以推广使用。 变压器隔离、一路电源输入，自带 DC/DC 辅助电源的驱动器 ： 目前有 CONCEPT 公司的 2SD315A 和 SEMIKRON 公司的 SKHI22 等，使用两个脉冲变压器传递半桥驱动信号，需要一路电源输入，自带一个 DC/DC 电源提供驱动所需的两个辅助电源 。 输出的驱动信
