绝缘栅双极晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究
电力电子试题及答案及电力电子器件及其驱动电路实验报告
一、填空题：（本题共7小题，每空1分，共20分）
1、请在正确的空格内标出下面元件的简称：
电力晶体管GTR；可关断晶闸管GTO；功率场效应晶体管MOSFET；绝缘栅双极型晶体管IGBT；IGBT是MOSFET和GTR的复合管。
2、晶闸管对触发脉冲的要求是要有足够的触发功率、触发脉冲前沿要陡幅值要高和触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。
ton=1.8us，ts=1.8us，tf=1.2us
（2）电阻、电感性负载时的开关特性测试
除了将主回器部分由电阻负载改为电阻、电感性负载以外（即将“1”与“22”断开而将“2”与“22”相连)，其余接线与测试方法同上。
ton=2.1us，ts=10.0us，tf=2.5us
2．不同基极电流时的开关特性测试
2．不同基极电流时的开关特性测试。
3．有与没有基极反压时的开关过程比较。
4．并联冲电路性能测试。
5．串联冲电路性能测试。
6．二极管的反向恢复特性测试。
三．实验线路
四．实验设备和仪器
1．MCL-07电力电子实验箱中的GTR与PWM波形发生器部分
2．双踪示波器
3．万用表
4．教学实验台主控制屏
五．实验方法
GTR ：1
PWM：1
GTR：6
PWM：2
GTR：3
GTR：5
GTR：9
GTR：7
GTR：8
GTR：11
GTR：18
主回路：4
GTR：15
GTR：16
GTR：19
GTR：29
GTR：21
GTR：22
主回路：1
用示波器观察，基极驱动信号ib（“19”与“18”之间）及集电极电流ic（“21”与“18”之间）波形，记录开通时间ton，存贮时间ts、下降时间tf。
电气传动实验报告模板(黑龙江科技大学)
【实践数据】αUd（V）测量Id（A）测量Ud（v）计算U2(V) Id（A）计算α=78°10 0.1 31.15 64 0.33α=60°66 0.65 70 60 0.76α=30°110 1.05 111.45 55 1.21 βUd(V)测量Id（A）测量Ud（v）计算U2(V)β=90°0 -0.45 0 121β=120°155 -0.25 146.25 125β=150°290 0 253.31 125【数据分析】所用公式：Ud=-2.34*U2*COSα；R=92Ω， Id=Ud/Rα=78° Ud=2.34*64*0.2079=31.15VId=Ud/R=0.33Aα=60° Ud=2.34*60*1/2=70V Id=Ud/R=0.76Aα=30° Ud=2.34*55*0.82=111.45V Id=Ud/R=1.21A【实践结果图】图15 α=30°幅值【三相桥式有源逆变电路】合上主电源。
调节Uct,观察ß=90°,120°,150°时，电路中Ud,Uvt的波形。
R=92Ω。
图19 β=90°时输出波形图此时U=0V I=-0.45A图20 β=120°时输出波形图此时U=155V I=-0.25A图21 β=150°时输出波形此时U=290V I=0A【小结】通过老师的讲解我们了解到，要实现有源逆变，必须满足以下两个要求：其一，要有直流电动势，其极性需和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。
其二，要求晶闸管的控制角a>Π/2，使Ud为负值。
我们做的三项有源逆变是由单相有源逆变转化而来的，逆变和整流的区别仅仅是控制角a的不同。
0<a<Π/2时，电路工作在整流状态，Π/2<a<Π时，电路工作在逆变状态。
绝缘栅双极晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究
课程名称：电力电子器件指导老师：陈辉明成绩：实验名称：实验类型：同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得实验二绝缘栅双极晶体管（IGBT)特性与驱动电路研究一、实验目的和要求1、熟悉IGBT 主要参数与开关特性的处理方法。
2、掌握混合集成驱动电路M57859L 的工作原理与调试方法。
3、研究IGBT 主要参数与开关特性。
二、实验内容和原理实验原理：见《电力电子器件实验指导书》（汤建新编著）34 页至38 页“IGBT 特性与驱动电路研究”中“二.实验线路及原理”。
混合集成驱动电路M57859L：M57859L 是高度集成的专为IGBT 设计的栅极驱动电路，芯片提供了驱动所需要的要求，包括短路过流保护，过流定时恢复，栅极封锁保护，输入隔离等功能。
芯片的原理图如下：三、主要仪器设备1、DSX 01 电源控制屏2、DDS 16“电力电子自关断器件特性与驱动电路”实验挂箱3、DT 10“直流电压电流表实验挂箱”4、数字示波器等四、操作方法和实验步骤1、IGBT 主要参数测试2、M57959L 主要性能测试3、IGBT 开关特性测试4、过流保护性能测试五、实验数据与分析1、IGBT 主要参数测试1.1 开启阀电压V gs(th)测试调节栅极电压，测量集电极电流，记录输入，并特别观察电流为1m A 时的栅压，此时为开启电压。
记录数据如下：当电流为一毫安时开通电压为6.18V1.2 跨导g m 测量根据1.1 测得是数据，计算得gm，绘制成曲线如下：1.3 导通电阻测量根据公式，计算得到数据如下：当IGBT 未导通时，I C =0A，因此，Ron=0Ω。
在开通的瞬间，有一个瞬间增大的跳变。
当IGBT 逐渐处于开通状态时，增加ce V 导通电阻逐渐增大，由于实验设备的限制，测量的状态为电阻的线性区，导通电阻随着电压的增加而近似满足线性关系。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作原理、基本特性、主要参数
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的工作原理、基本特性、主要参数绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种复合型电力电子器件。
它结合了MOSFET和电力晶体管GTR的特点，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有输入通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因而具有良好的特性。
自1986年IGBT开始投入市场以来，就迅速扩展了其应用领域，目前已取代了原来GTR和一部分MOSFET的市场，成为中、小功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。
IGBT的结构与工作原理IGBT是三端器件。
具有栅极G、集电极C和发射极E。
图1（a）给出了一种由N 沟道MOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。
与MOSFET对照可以看出，IGBT比MOSFET多一层P+注入区，因而形成了一个大面积的PN结J1。
这样使得IGBT导通时由P+注入区向N基区发射载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。
图1 IGBT的结构、等效电路和电气符号从图1可以看出，这是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的PNP晶体管，RN为晶体管基区内的调制电阻。
因此，IGBT 的驱动原理与MOSFET基本相同，它是一种场控器件，其开通和关断是由栅射电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压UGE（th）时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。
由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图1（c）所示。
绝缘栅双极型晶体管
绝缘栅双极型晶体管一、 IGBT介绍IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极晶体管，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。
二、 IGBT的结构左边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+区称为源区，附于其上的电极称为源极（即发射极E）。
P+区称为漏区。
器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极（即门极G）。
沟道在紧靠栅区边界形成。
在C、E两极之间的P型区（包括P+和P-区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（Subchannel region）。
而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区（Drain injector），它是IGBT特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。
附于漏注入区上的电极称为漏极（即集电极C）。
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流，使IGBT导通。
反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。
IGBT 的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N-沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
三、对于IGBT的测试IGBT模块的测试分为两大类:一类是静态参数测试，即在IGBT模块结温为25C时进行测试，此时IGBT工作在非开关状态；另一类是动态参数测试，即在IGBT模块结温为1时进行测试，此时IGBT工作在开关状态。
绝缘栅双级晶体管IGBT
绝缘栅双极晶体管（IGBT）一、IGBT的工作原理电力MOSFET器件是单极型（N沟道MOSFET中仅电子导电、P沟道MOSFET中仅空穴导电）、电压控制型开关器件；因此其通、断驱动控制功率很小，开关速度快；但通态降压大，难于制成高压大电流开关器件。
电力三极晶体管是双极型（其中，电子、空穴两种多数载流子都参与导电）、电流控制型开关器件；因此其通-断控制驱动功率大，开关速度不够快；但通态压降低，可制成较高电压和较大电流的开关器件。
为了兼有这两种器件的优点，弃其缺点，20世纪80年代中期出现了将它们的通、断机制相结合的新一代半导体电力开关器件——绝缘栅极双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）。
它是一种复合器件，其输入控制部分为MOSFET，输出级为双级结型三极晶体管；因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点，即高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到10~40kHz（比电力三极管高），饱和压降低（比MOSFET 小得多，与电力三极管相当），电压、电流容量较大，安全工作区域宽。
目前2500~3000V、800~1800A的IGBT器件已有产品，可供几千kVA以下的高频电力电子装置选用。
图1为IGBT的符号、内部结构等值电路及静态特性。
IGBT也有3个电极：栅极G、发射极E和集电极C。
输入部分是一个MOSFET管，图1中R dr表示MOSFET的等效调制电阻（即漏极-源极之间的等效电阻R DS）。
输出部分为一个PNP三极管T1，此外还有一个内部寄生的三极管T2（NPN管），在NPN晶体管T2的基极与发射极之间有一个体区电阻R br。
当栅极G与发射极E之间的外加电压U GE=0时，MOSFET管内无导电沟道，其调制电阻R dr可视为无穷大，Ic=0，MOSFET处于断态。
在栅极G与发射极E之间的外加控制电压U GE，可以改变MOSFET管导电沟道的宽度，从而改变调制电阻R dr，这就改变了输出晶体管T1（PNP管）的基极电流，控制了IGBT管的集电极电流Ic。
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究一．实验目的1．熟悉IGBT主要参数与开关特性的测试方法。
2．掌握混合集成驱动电路EXB840的工作原理与调试方法。
二．实验内容1．IGBT主要参数测试。
2．EXB840性能测试。
3．IGBT开关特性测试。
4．过流保护性能测试。
三．实验设备和仪器1．NMCL-07电力电子实验箱中的IGBT与PWM波形发生器部分。
2．双踪示波器。
3．毫安表4．电压表5．电流表6．教学实验台主控制屏四．实验线路见图2—3五．实验方法1．IGBT主要参数测试（1）开启阀值电压V GS（th）测试在主回路的“1”端与IGBT的“18”端之间串入毫安表，将主回路的“3”与“4”端分别与IGBT 管的“14”与“17”端相连，再在“14”与“17”端间接入电压表，并将主回路电位器RP左旋到底。
将电位器RP逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表，当漏极电流I D=1mA时的栅源电压值即为开启阀值电压V GS（th）。
读取6—7组I D、Vgs，其中I D=1mA必测，填入表2—8。
（2）跨导g FS测试在主回路的“2”端与IGBT的“18”端串入安培表，将RP左旋到底，其余接线同上。
将RP逐渐向右旋转，读取I D与对应的V GS值，测量5-6组数据，填入表2—9。
（3）导通电阻R DS测试将电压表接入“18”与“17”两端，其余同上，从小到大改变V GS，读取I D与对应的漏源电压V DS，测量5-6组数据，填入表2—10。
2．EXB840性能测试（1）输入输出延时时间测试IGBT部分的“1”与“13”分别与PWM波形发生部分的“1”与“2”相连，再将IGBT部分的“10”与“13”、与门输入“2”与“1”相连，用示波器观察输入“1”与“13”及EXB840输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。
t on= ，t off=（2）保护输出部分光耦延时时间测试将IGBT部分“10”与“13”的连线断开，并将“6”与“7”相连。
IGBT的驱动电路设计
目录一. 方案论证……………………………………………….1-3二. IGBT驱动电路的原理…………………………………4-5三. 基于EXB 841驱动电路设计…………………………...6-7四. 元件清单 (8)五. 结论 (9)六. 参考书目 (9)一.方案论证绝缘栅双极型晶体管IGBT(InsulatedG ateB ipolarTransistor)是一种由双极晶体管与MOSFET组合的器件，它既具有MOSFET的栅极电压控制快速开关特性，又具有双极晶体管大电流处理能力和低饱和压降的特点，近年来在各种电力变换装置中得到广泛应用。
但是，IGBT的门极驱动电路影响IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及dine / d t等参数，决定了IGBT的静态与动态特性。
因此，在使用IGBT时，最重要的工作就是要设计好驱动与保护电路。
典型的IGBT栅极驱动电路一个理想的IGBT 驱动器应具有以下基本性能:(1) 动态驱动能力强,能为IGBT 栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。
当IGBT 在硬开关方式下工作时,会在开通及关断过程中产生较大的开关损耗。
这个过程越长,开关损耗越大。
器件工作频率较高时,开关损耗甚至会大大超过IGBT 通态损耗,造成管芯温升较高。
这种情况会大大限制IGBT 的开关频率和输出能力,同时对IGBT 的安全工作构成很大威胁。
IGBT 的开关速度与其栅极控制信号的变化速度密切相关。
IGBT 的栅源特性呈非线性电容性质,因此,驱动器须具有足够的瞬时电流吞吐能力,才能使IGBT 栅源电压建立或消失得足够快,从而使开关损耗降至较低的水平。
另一方面,驱动器内阻也不能过小,以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振荡。
同时,过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰,这既对主回路安全不利,也容易在控制电路中造成干扰。
（2）能向IGBT提供适当的正向栅压。
IGBT 导通后的管压降与所加栅源电压有关,在漏源电流一定的情况下, u GS越高, uDS就越低,器件的导通损耗就越小,这有利于充分发挥管子的工作能力。
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课程名称：电力电子器件指导老师：陈辉明成绩：
实验名称：实验类型：同组学生姓名：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
实验二绝缘栅双极晶体管（IGBT)特性与驱动电路研究
一、实验目的和要求
1、熟悉IGBT 主要参数与开关特性的处理方法。
2、掌握混合集成驱动电路M57859L 的工作原理与调试方法。
3、研究IGBT 主要参数与开关特性。
二、实验内容和原理
实验原理：
见《电力电子器件实验指导书》（汤建新编著）34 页至38 页“IGBT 特性与驱动电路研究”中“二.实验线路及原理”。
混合集成驱动电路M57859L：
M57859L 是高度集成的专为IGBT 设计的栅极驱动电路，芯片提供了驱动所需要的要求，包括短路
过流保护，过流定时恢复，栅极封锁保护，输入隔离等功能。
芯片的原理图如下：
三、主要仪器设备
1、DSX 01 电源控制屏
2、DDS 16“电力电子自关断器件特性与驱动电路”实验挂箱
3、DT 10“直流电压电流表实验挂箱”
4、数字示波器等
四、操作方法和实验步骤
1、IGBT 主要参数测试
2、M57959L 主要性能测试
3、IGBT 开关特性测试
4、过流保护性能测试
五、实验数据与分析
1、IGBT 主要参数测试
1.1 开启阀电压V gs(th)测试
调节栅极电压，测量集电极电流，记录输入，并特别观察电流为1m A 时的栅压，此时为开启电压。
记录数据如下：
当电流为一毫安时开通电压为6.18V
1.2 跨导g m 测量
根据1.1 测得是数据，计算得gm，绘制成曲线如下：
1.3 导通电阻测量
根据公式，计算得到数据如下：
当IGBT 未导通时，I C =0A，因此，Ron=0Ω。
在开通的瞬间，有一个瞬间增大的跳变。
当IGBT 逐渐处于开通状态时，增加ce V 导通电阻逐渐增大，由于实验设备的限制，测量的状态为电阻的线性区，导通电阻随着电压的增加而近似满足线性关系。
2、M57959L 主要性能测试
2.1 输入、输出延时时间测试
用示波器的双端分别观察输入信号和输出信号，其中一通道为输入信号，二通道为输出信号，波形结
果如下：
观察延时时间，将波形放大，显示如下：
由示波器光标测量可知延时时间为392ns如上图所示
2.2 过流保护定时复位时间测试
分别用示波器的双端观察电压和复位波形，二通道为复位波形，结果如下：
由波形可知，在一通道出现过流后，复位信号迅速下降，保护电路。
观察两个复位信号之间的间隔时间，为过流保护定时复位时间，如下：
在实验条件下，用示波器观察，得波形如下：
得负栅压为4.16V如上图所示
2.4 过流阀值电压测试
根据实验调节测量过流阀值电压。
实验中，不断提高栅极电压，观察示波器的波形。
由于当过流是，驱动芯片自动产生过流保护，因此，当波形消失时的值，即为过流阀值电压。
经电压表测量其电压为6.98V
3、IGBT 开关特性研究
3.1电阻负载开关特性测试
用示波器观察V GE和V CE的波形，如下所示：
观察具体的开通和关断时间，将波形放大如下：
该延时时间约为200ns 上升时间约为320ns，故总开通时间约为520ns
从波形中，可以看出关断过程中Vce与Vge的关系
该延时时间约为400ns 上升时间约为400ns，故总开通时间约为800ns 用示波器观察V CE和I C 的波形，如下所示：
综合以上图形绘制的开关特性曲线如下：
3.3并联缓冲电路作用及对开关特性的影响测试
从上到下依次为欠吸收、正好吸收和过吸收的波形图如下：
4、过流保护特性测试
用示波器观察V ge 波形，打开电源电路，观察到过流指示灯发亮，波形消失。
消除故障，回复以前连线后，按复位按钮，指示灯灭，波形恢复。
由以上结果可知过流保护特性良好，结果正确。
波形如下：
六、讨论、心得
1、熟悉了IGBT的器件工作原理和特性原理，从实验中测的特性更有利于分析该器件内部结构和内部工作机理，加强了对书本知识的认识和理解。
2、通过实验，观察到了IGBT 开关状态的状态与时间的关系，记录了波形并针对其特性进行了画图综合，加深了对IGBT 动态性能的理解。
3、初步认识了驱动电路的过流保护功能，并联缓冲电路开关特性的影响以及欠吸收正好吸收和过吸收的
实际情况。