大功率IGBT驅動與保護技術（簡體書）

目錄
前言
第1章 概述 1
1.1 引言 1
1.2 功率半導體器件介紹 2
1.2.1 功率二極管 2
1.2.2 功率MOSFET 4
1.2.3 晶閘管及其相關器件 6
1.2.4 IGBT 9
1.2.5 發展現狀及展望 11
1.3 IGBT驅動介紹 13
1.3.1 被動式驅動電路 14
1.3.2 主動式驅動電路 16
1.4 大功率IGBT串並聯技術 21
1.4.1 IGBT並聯均流技術 21
1.4.2 IGBT串聯均壓技術 23
1.5 展望 25
1.5.1 IGBT在線監測與故障分析 25
1.5.2 大功率IGBT串並聯技術 25
1.5.3 SiC器件驅動與保護電路研究 26
參考文獻 26
第2章 IGBT的開關特性及主要參數 28
2.1 等效電路分析 28
2.1.1 IGBT等效電路 28
2.1.2 開關過程等效電路 30
2.2 IGBT開關特性 31
2.2.1 IGBT開通過程 31
2.2.2 IGBT關斷過程 36
2.3 擎住效應 40
2.4 安全工作區 41
2.5 續流二極管 42
2.5.1 續流二極管靜態特性 42
2.5.2 續流二極管開通特性 42
2.5.3 續流二極管關斷特性 43
2.6 IGBT的數據手冊 44
2.6.1 IGBT的極限參數 44
2.6.2 IGBT的特征參數 46
2.6.3 續流二極管的特征參數 50
參考文獻 51
第3章 IGBT驅動電路 52
3.1 驅動電路簡介 52
3.1.1 驅動電壓 53
3.1.2 門極電阻 55
3.1.3 驅動電流 58
3.2 驅動電源 59
3.2.1 驅動功率計算 59
3.2.2 DC/DC電路設計 60
3.3 驅動信號隔離 63
3.3.1 光隔離方式 64
3.3.2 脈衝變壓器隔離方式 65
3.4 驅動器其他要求 66
3.4.1 短脈衝抑制 66
3.4.2 死區時間設置 67
3.4.3 互鎖設置 68
參考文獻 69
第4章 IGBT故障分析與保護電路 70
4.1 電流故障及其保護電路 70
4.1.1 電流故障分析 70
4.1.2 過電流保護電路 72
4.2 過壓保護 79
4.2.1 過壓故障與原因分析 79
4.2.2 過壓保護電路 80
4.3 過溫保護 86
4.3.1 溫度對IGBT的影響分析 86
4.3.2 過溫保護策略 86
4.4 欠壓保護 87
4.4.1 欠壓故障分析 87
4.4.2 欠壓保護策略 88
參考文獻 88
第5章 數字化IGBT驅動保護電路的實現 89
5.1 數字化驅動保護器總體方案設計 89
5.2 驅動電路設計 91
5.3 數字化保護電路設計 92
5.4 信號預處理 94
5.4.1 短脈衝抑制 94
5.4.2 死區時間設置 95
5.4.3 互鎖設置 95
5.4.4 過頻保護 96
參考文獻 96
第6章 並聯均流 97
6.1 影響並聯均流的因素 97
6.1.1 IGBT模塊靜態均流影響因素分析 97
6.1.2 IGBT模塊動態均流影響因素分析 101
6.2 並聯均流的措施 102
6.2.1 器件選型 102
6.2.2 驅動電路的對稱性設計 102
6.2.3 功率回路的阻抗與寄生參數的對稱性 103
6.2.4 降額法 104
6.2.5 有源門極控制法 105
6.2.6 電感均流法 106
6.2.7 有源門極控制IGBT並聯均流 107
6.2.8 分散式有源門極控制法 110
參考文獻 111
第7章 現有驅動產品介紹及應用 112
7.1 IR系列驅動器 112
7.1.1 IR2110電氣特性 114
7.1.2 IR2110驅動電路抗幹擾技術 115
7.2 EXB系列集成驅動器 117
7.2.1 EXB系列集成驅動器使用特點 117
7.2.2 EXB系列集成驅動器應用電路 119
7.3 落木源TX-KA101驅動器 121
7.3.1 TX-KA101驅動器基本功能 121
7.3.2 TX-KA101三段式驅動保護 125
7.3.3 TX-KA101應用參考電路 126
7.4 青銅劍2QD0435T17-C驅動器 130
7.4.1 2QD0435T17-C基本功能 130
7.4.2 2QD0435T17-C原邊接口電路描述 133
7.4.3 2QD0435T17-C副邊接口電路描述 135
7.4.4 2QD0435T17-C工作特點 138
7.5 SCALE系列 140
7.5.1 驅動核概述 140
7.5.2 2SC0535T原方接口電路描述 142
7.5.3 2SC0535T副方接口電路描述 144
7.6 Inpower系列數字驅動器 147
7.7 Amantys門極驅動器 149
7.8 驅動器應用舉例 152
7.8.1 驅動器在有源電力濾波器中的應用 152
7.8.2 驅動器在機車牽引中的應用 153
參考文獻 154
第8章 IGBT功率模塊及IPM 155
8.1 功率半導體模塊 155
8.1.1 模塊結構與特點 155
8.1.2 功率模塊的性能 161
8.1.3 IGBT模塊新技術 167
8.2 IPM 171
8.2.1 IPM特點 171
8.2.2 IPM結構與性能 173
8.2.3 IPM保護功能 179
8.2.4 IPM封裝新技術 180
8.3 IPM產品介紹 181
8.3.1 低電感內部結構 182
8.3.2 SKiiP系列IPM功能 184
參考文獻 187
第9章 IGBT測試與裝置 188
9.1 雙脈衝測試平臺 188
9.1.1 功率部分 188
9.1.2 測量設備 189
9.2 雙脈衝測試方法 193
9.2.1 雙脈衝測試意義 193
9.2.2 雙脈衝測試簡介 193
9.2.3 雙脈衝實驗的關注點 196
9.2.4 雙脈衝實驗的其他作用 199
9.3 短路測試方法 200
9.3.1 一類短路測試 200
9.3.2 二類短路測試 203
參考文獻 204

1.2 功率半導體器件介紹
1.2.1 功率二極管
1. 功率二極管的結構
功率二極管的外形、符號和結構如圖1-3所示，功率二極管的核心部分是一個PN結，在PN結兩端加上電極引線和管殼後制成了功率二極管。
圖1-3 功率二極管的外形、符號和結構
2. 功率二極管的工作原理
由P型半導體和N型半導體結合在一起形成二極管，當外加正向電壓(P型區接正)時，多子擴散得到增強，少子漂移受到抑制，產生正向電流；當外加反向電壓時，多子擴散受到抑制，少子漂移得到增強，只有很小的反向漏電流。因此，功率二極管具有單向導電性。
功率二極管是一種兩端元件，一般作為交流變直流的整流器件。現在電力網絡整流使用的半導體二極管絕大部分是用單晶硅制造的，整流二極管可分為PN結二極管和肖特基二極管。通過摻雜可將半導體制成N型半導體和P型半導體，它們的結合部就形成PN結，這時形成的就是PN結二極管；而肖特基二極管則是由金屬和半導體接觸而形成結的金屬-半導體(接觸)二極管，它們都具有單向導電性。
3. 功率二極管的特性
1) I-V特性
功率二極管具有單向導電性，它有不對稱的I-V曲線，如圖1-4(a)所示。功率二極管在反向電壓下只有很小的漏電流，當反向電壓超過一定值時，功率二極管反向擊穿，反向電流迅速增大；當功率二極管外加正向電壓超過VoN時，正向電流隨電壓按指數增長。
2) 開關特性
開關過程如圖1-4(b)和圖1-4(c)所示，功率二極管在開通過程中，正向壓降會出現一個過衝電壓VFRM，然後會逐漸趨向於穩態壓降值。這一動態過程發生的時間，稱為二極管的正向恢復時間tfr。當功率二極管外加的正向電壓變為反向時，它不會立即關斷，而是電流逐漸下降到零，接著出現較大的反向電流和反向過衝電壓，在一個反向恢復時間trr後才能截止(Yang et al.，2009)。
圖1-4 功率二極管的特性曲線
4. 功率二極管的主要參數
(1) 額定電流IFR：在指定的管殼溫度和散熱條件下，器件允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。
(2) 正向壓降VF：在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時器件對應的正向壓降。
(3) 反向恢復時間trr：在關斷過程中，從器件開始承受反壓直到完全恢復反向阻斷能力所需要的時間。
1.2.2 功率MOSFET
功率MOSFET(power metal-oxide semiconductor field effect transistor)是20世紀70年代在經典MOSFET的基礎上發展起來的，主要作為功率開關使用。功率MOSFET具有輸入阻抗高、功率增益高和熱穩定性好等優點(王兆安等，2000)。它是多子器件，導通狀態下內部不存在電導調制效應，因此其導通電阻較大。與常規MOSFET不同，功率MOSFET的重點在於提高器件的功率特性，增大器件的工作電壓和工作電流。因此，功率MOSFET的發展主要圍繞如何解決器件耐壓和功耗之間的矛盾，產生了許多新結構。
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