IGBT的设计及仿真验证
基于UC2844的IGBT驱动电路设计
为使 ＩＧＢＴ可靠导通与关断，ＩＧＢＴ驱动电路需
要提供 ＋１５Ｖ的电压使其导通，－１０Ｖ的电压使其 关断。功率侧正、负电源的产生采用正激式变换器 实现，其 主 要 组 成 有：原 边 推 挽 电 路、变 压 器、ＰＷＭ 控制器、副边倍压整流电路等［５，７，１０］。 ２．１ 电源控制电路
驱动电源设计中，ＵＣ２８４４控制器为 ＰＷＭ发生 器。ＵＣ２８４４为一款高性能固定频率电流模式控制 器，可满足基本的 ＤＣ－ＤＣ变换控制，实现外围元件 最少的解决方案。该集成电路大多数半导体商均有 匹配产品，图 １为 ＵＣ２８４４控制器内部结构，有误差 放大器、ＰＷＭ比较器、ＰＷＭ锁存器、振荡器、内部基 准电压与欠压锁定单元、大电流图腾柱输出等，是驱 动 ＭＯＳＦＥＴ的理想器件［２，８－９］。
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工业仪表与自动化装置 ２０１９年第 １期
基于 ＵＣ２８４４的 ＩＧＢＴ驱动电路设计
王 博
（西安铁路职业技术学院，西安 ７１００１４） 摘要：为解决中小功率容量的 ＩＧＢＴ驱动问题，设计出以 ＵＣ２８４４为核心控制器的驱动电路，包 括驱动所需的隔离电源控制电路与功率电路、ＰＷＭ 信号处理等。对隔 离电源的控制 器应用方法、 功率电路的关键器件设计及信号处理电路给出了详细解决方案，并通过计算机仿真验证其可行性。 实验结果表明，设计方案满足中小型 ＩＧＢＴ驱动的一般需求。
关键词：绝缘栅双极型晶体管；驱动电路；隔离电源；ＵＣ２８４４ 中图分类号：ＴＮ３０６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－０６８２（２０１９）０１－００４２－０４
igbt单相电压型半桥无源逆变电路设计
igbt单相电压型半桥无源逆变电路设计本文介绍了一种IGBT单相电压型半桥无源逆变电路设计，该电路采用半桥拓扑结构，通过IGBT管控制开关实现正负半周期无源逆变，具有高效、可靠、稳定等优点。
同时，本文还介绍了电路的设计流程和注意事项。
一、电路拓扑结构IGBT单相电压型半桥无源逆变电路采用半桥拓扑结构，如图1所示。
电路中，IGBT1和IGBT2分别代表上管和下管，L1和L2为变压器的两个线圈，C为输出滤波电容。
该拓扑结构有以下优点：1、半桥结构可以避免直流电离子飘移问题，提高电路的可靠性。
2、IGBT管负责开关电流，电压由变压器自行绝缘，可以避免功率管受到高频电磁干扰而损坏的问题。
3、半桥拓扑结构使得电路的效率较高，能够满足高效、小型化的需求。
二、电路设计1、选择IGBT管根据电路的工作电压和电流，选择适合的IGBT管是很重要的。
可以根据功率、电压承受能力、开关速度、漏电流等因素进行选择。
2、选择变压器变压器是半桥无源逆变电路的关键元件之一，变压器的参数需要根据电路需求进行选择。
如果输出功率较大，则需选择大功率变压器；如果需要较小的体积，则可以选择小型化的变压器。
3、选择输出电容电容可以用来过滤输出端的噪声和杂波。
根据输出电压、输出电流等参数选择适合的电容，并确保电容的电压承受能力充足。
4、电路参数计算根据电路的拓扑结构和工作参数，进行电路参数的计算。
需要计算的参数包括变压器的线圈数、电感值、电容容值等。
这些参数的计算需要根据电路需求进行合理设置。
三、注意事项在使用IGBT管时，需要防止温度过高和静电干扰等问题。
建议在使用IGBT管时加装散热器，并采用静电保护措施，以保证管子的正常工作。
总之，IGBT单相电压型半桥无源逆变电路是一种高效、可靠、稳定的电路结构，在工业自动化控制等领域有着广泛的应用。
基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真
基于IPOSIM的IGBT功率损耗仿真【摘要】IGBT作为一种功率半导体器件，在电能应用邻域得到广泛应用。
在IGBT的使用过程中，要求功率开关器件降低损耗、提高效率、提高性能。
本文就IGBT的损耗计算方法作了简要介绍，并就英飞凌IGBT作了功率损耗的仿真分析。
【关键词】IGBT 功率损耗计算方法仿真The Simulation of The Power Loss for IGBT Base on IPOSIM（The 722 Research Institute of CSIC Hubei Wuhan 430205）Abstract：As a power semiconductor device，IGBT is widely used in the application of electric fields. During the use of IGBT，Request power switching device to reduce losses，improve efficiency and performance. This article briefly describes the loss calculation method on the IGBT，and made a simulation analysis of the power loss on Infineon IGBT.Keywords：IGBT；power loss；calculation method；simulation一、引言绝缘栅晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）是由BJT（双极型晶体管）和MOSFET（绝缘栅型场效应晶体管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，既具有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有BJT的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。
IGBT驱动电路设计与保护
IGBT驱动电路设计与保护IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一种高性能和高压能力的功率开关器件，用于大功率电力电子应用中。
IGBT驱动电路的设计和保护是确保IGBT正常工作和延长其寿命的重要环节。
1.电源设计：稳定和干净的电源是驱动电路的基础。
通常使用稳压电源或者电容滤波器来给驱动电路和IGBT供电，以避免干扰和噪声的影响。
2.信号隔离：为了保护驱动电路和IGBT，通常需要使用光耦隔离器或者磁隔离器来实现输入和输出电路的电气隔离。
这样可以防止高压和高电流反馈到驱动电路中，从而保护驱动电路的安全。
3.输入信号处理：驱动电路通常需要接收和处理外部的控制信号，例如PWM信号和开关信号。
可以使用电平转换电路、滤波器和放大器等电路来进行信号处理，以确保信号的正确控制和稳定性。
4.输出信号驱动：驱动电路需要能够提供足够的电流和电压来驱动IGBT控制端的输入电容，以确保IGBT在开关过程中快速和稳定地工作。
这通常需要使用功率放大器和驱动电流放大器来提供所需的输出能力。
5.过温保护：IGBT在高功率运行时会产生热量，超过一定温度会导致器件变性或烧毁。
因此，驱动电路中需要设计过温保护电路，用于监测和控制IGBT的温度。
当温度过高时，过温保护电路会触发警报或者切断电源，以保护IGBT的安全。
6.过电流保护：IGBT在工作过程中可能会遭受过电流冲击，例如短路故障。
为了保护IGBT不受损坏，驱动电路需要设计过电流保护电路，可以监测和控制IGBT的电流。
当电流超过设定值时，过电流保护电路会触发警报或者切断电源，以保护IGBT的安全。
7.过压保护：在一些情况下，如电源故障、反馈开关失效等，IGBT 可能会受到过高的电压冲击。
为了保护IGBT不受损坏，驱动电路需要设计过压保护电路，可以监测和控制IGBT的电压。
当电压超过设定值时，过压保护电路会触发警报或者切断电源，以保护IGBT的安全。
IGBT的低温特性及计算机仿真
第４０卷第１期年月电力电子技术Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１，定稿日期：２００５－０６－２３作者简介：张玉林（１９８１－），男，山西临汾人，研究生，研究方向为电力电子技术在低温环境下应用。
１引言电力电子器件在低温下的特性日益引起人们的关注，原因是低温电力电子技术和超导技术的结合有望处理更大的功率。
类似的应用有超导磁体储能、磁悬浮列车、超导变压器等。
另外，在外层空间运行的航天器必须在极低温度下工作，所以低温电力电子技术在航天领域也有广阔的应用前景［１］。
绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）由于通流能力大，关断速度快，易于控制等特点而备受关注。
本文研究了ＮＰＴ－ＩＧＢＴ在低温下的暂稳态特性，并且建立了ＩＧＢＴ低温特性计算机仿真模型。
在此过程中，对硅半导体中随温度变化的物理参数做了修正，使之与低温区运行相吻合。
当温度高于０℃时，掺杂完全电离，而在低温下则必须考虑杂质的不完全电离，同时还须考虑到载流子迁移率和复合寿命随温度的变化。
２ＮＰＴ－ＩＧＢＴ物理结构及模型机理可将ＩＧＢＴ看作是基极电流由ＭＯＳ栅压控制的双极晶体管，图１示出其物理结构。
从结构上可以看出，ＮＰＴ－ＩＧＢＴ比垂直导电双扩散ＭＯＳ结构的ＶＤＭＯＳＦＥＴ多一层ｐ＋注入区，因而形成了一个大面积的ｐ＋ｎ－结。
这样，使得ＩＧＢＴ导通时由ｐ＋注入区向ｎ－基区发射少子（空穴），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，同时大大减小了ＩＧＢＴ导通时的通态电阻。
ＩＧＢＴ的通态压降可等效为沟道电阻压降ＶＦＭＯＳ与ｐ＋集电极ｎ－漂移区形成的二极管压降ＶＦＰＩＮ之和［２］。
ＩＧＢＴ暂态特性中的一个重要参数是下降时间，它决定了关断过程中的功率损耗，并限制了器件最高工作频率。
当驱动电压需低于门槛电压时，ＭＯＳＦＥＴ沟道电流消失，停止为ＰＮＰ晶体管基极提供电流。
然而，由于过剩载流子在ｎ－区的存储效应，需要通过复合来恢复其平衡状态，造成ＰＮＰ晶体管电流下降缓慢，因此ＩＧＢＴ的集电极关断过程分为图２所示的两部分：与基极驱动电流相ＩＧＢＴ的低温特性及计算机仿真张玉林，胡高宏，丘明，齐智平（中国科学院电工研究所，北京１０００８０）摘要：研究了非穿通型（Ｎｏｎ－ＰｕｎｃｈＴｈｒｏｕｇｈ，ＮＰＴ）ＩＧＢＴ在７７～３００Ｋ之间的暂稳态特性。
IGBT的数理仿真模型及其参数辨识
ｏ ｔ ｌ ａｇ ｒ ｈ Ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｔ ａｉ ａｅ ｔ ｅ ｅｆ ｃｉ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｒ ｇｏ ｆ ｍｏ ｅ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ｒ ｓ ｎ ｅ ． ｉａ ｌ ｈ ｐｉ ｌｏ ｔ ｍ． ｈ ｔ ｏ ｏ ｖ ｌ ｔ ｈ ｆ ｔ ｐ ｌ ｔ ｅ ｉｎ ｏ ｄ ｌ ｐ ｒ ｍｅ ｅｓ ｓ ｐ ｅ ｅ ｔｄ Ｆ ｎ ｌ ｔｅ ｍａ ｉ ｄ ｅ ｖ ｃ ｏ ｙ
ｏ ｈ ｎ ｈ ｉ ｄ ｃ ｔ ｎ Ｃｏ ｆＳ ａ ｇ ａ Ｅ ｕ ａ ｉ
绝 缘 栅 极 双 极 型 晶体 管 （Ｇ Ｔ 具 有 电流 密 度 ＩＢ ）
一
种基于实验 、仿真及优化算法 的 ＩＢ Ｇ Ｔ模型参数
高 、 动 功 率 小 等 优 点 ， 电 力 电 子变 换 器 及 电 力 驱 在 传 动 领域 得 到 了广泛 的应 用 。在 用 Ｉ Ｔ设 计 线 路 ＧＢ 时 ． 常 采用 仿 真 手段 。要得 到 准 确 可信 的仿 真 结 通 果． 必须 有精 确 的 Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ模 型及 其 参 数 。Ｉ Ｂ Ｇ Ｔ模 型 分 为 二 类 Ｉ 一 类 为 行 为 模 型 （ ｅａｉｒｌ ｄ１或 ｌ ｌ ， Ｂ ｈｖ ａ ｍｏｅ） ｏ 实验 模 型Ｉ 该模 型 以等 值 电路 为 基础 ， 型 简 单 ， ｚ － ， 模 但 不 够 精 确 ： 另 一 类 为 数 理 模 型 （ ｔｅ ｔ ａ． Ｍａ ｍａｃ１ ｈ ｉ ｐ ｙｉ ｌ ｄ１， 特 点 是 以 ＩＢ ｈｓ ａ ｍｏｅ）其 ｃ Ｇ Ｔ的物 理 结构 及 机
ａ ｔ ｒ ｍ ｅ ｅ ｄｅ ｉ ｃ ｔｏ ｎｄ ｉｓ Ｐａ ａ ｔ ｒ Ｉ ｎｔｆ ａ ｉ ｎ ｉ
ＧＡＯ Ｙａ — ｉ ｎ ｘａ．ＧＵＯ Ｓ ｕ — ａ ，ＣＨＥＮ Ｂ —ｈ ｈ ｉ ｏ ｂ ｏｓ ｉ
一种脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路的设计研究
一种脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路的设计研究脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路是一种广泛应用于电力电子领域的关键技术，能够有效实现IGBT开关管的高效驱动和隔离保护。
本文将对脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路进行设计研究，探讨其原理、设计方法和应用。
一、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路原理脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路由输入端、隔离变压器、信号处理电路、输出端等部分组成。
其工作原理如下：输入信号经过信号处理电路进行信号调理和隔离，然后通过隔离变压器进行电气隔离，并通过输出端输出给IGBT管进行控制。
由于脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路具有电气隔离、抗干扰能力强等优点，因此在高压、高功率的电力电子设备中得到广泛应用，如逆变器、变频器、交流电源等。
二、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路设计方法1.选择合适的隔离变压器：隔离变压器是脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路中的关键部件，其质量直接影响到整个电路的性能。
因此在设计电路时应选择符合要求的隔离变压器，需考虑其绕组匝数、匝比、耐压等参数。
2.设计信号处理电路：信号处理电路对输入信号进行处理和隔离，以适应IGBT的工作要求。
通常包括滤波器、隔离元件、整流电路等部分，保证输入信号干净稳定。
3.设计输出端电路：输出端电路主要是将隔离后的信号输出给IGBT 管，需要考虑输出端的电压、工作频率、功率等参数，以确保可靠且高效地驱动IGBT。
4.搭建和调试电路：设计完成后需要进行电路搭建和调试，检查电路连接是否正确、各部分工作是否正常，如果有问题及时排除。
三、脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路应用脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路广泛应用于各种高压、高功率电力电子设备中，如逆变器、变频器、交流电源等。
通过电气隔离和高效驱动，提高了电路的稳定性和可靠性，减小了电路对外部干扰的敏感度，在高电压、高频率的环境下能够更好地发挥作用。
综上所述，脉冲变压器隔离的IGBT驱动电路设计研究对于提高电力电子设备的性能和可靠性具有重要意义。
IGBT损耗仿真软件使用说明
PIGBT
Rth(c-f)
PFWD Ploss
Tf
Rth(f-a) Ta
Ploss_f
DWG No. : MT5F19369
13/20
DC-Lock条件下损耗计算
在直流锁定（DC-lock DC lock）状态下的电流路径由下图表示，输出电流为直流电流 (Ic)。 在此状态下, 可以计算IGBT (U）和FWD (X) 的损耗。 在DC-lock DC lock下，通过调制比可以计算出所需占空比，公式如下所示。 下 通过调制比可以计算出所需占空比 公式如下所示
负载循环编辑按钮
选择结温 Tj显示模式
最大值： 最大值曲线显示 最大值 最大值曲线 平均值： 平均值曲线显示
负载循环编辑按钮 负载循环编辑按 增加不同的负载模式 (模式最大值数量: 25) 删除已有负载模式 调整已有负载模式
计算。
DWG No. : MT5F19369
显示所选择的设备信息
DWG No. : MT5F19369
7/20
设定散热器参数和环境温度
点击菜单 “Select S l Heat sink” i k”
输入所使用散热器热阻Zth(f-a)和环境温 度Ta。 也可以通过输入变换器容量(KVA)并点 击 按钮，这样能自动计算
环境温度设定
所需热阻Rth(f-a)。 修正系数： 修正暂态电阻和时间常数的系数。
Tj，Tc，Tf仿真波形
DWG No. : MT5F19369
2/20
和其它仿真软件的性能比较
○：已实现功能， △：部分实现功能， ×：未实现功能 竞争对手I 竞争对手S 竞争对手M (v. 6.1d) (v. 3.0.12) (v. 3) 提供形式 Excel ・三相PWM 变换器 不能选择 × ○ ○ ○ △※1 ○ × ○
IGBT
双极器件的存储效应 影响了IGBT器件 的 关断速度。因此关断 过程分为两个阶段： 其一，MOS管导通电 流的迅速降低阶段tf1 （陡降阶段），二是 三极管电流缓慢减到 零的阶段，即与基区 过剩载流子复合有关 的缓慢下降阶段tf2 （指数下降阶段，
陡降区
指数下 降区
IGBT的关断时间有钱人定义为电压为零到IC下降 到0.1倍稳态值时所经历的时间。
UGE 90%UGEM
UGEM
10%UGE0M IC
90% ICM
td(on)
ICM tr
td(off)
t tf
10% ICM 0
UCE
ton UCEM
tfi1 tfi2
toff
t
tfv1 tfv2
UCE(on)
O
t
关断过程
为了从正向导通状态转 入正向阻断状态， IGBT的栅极通过外电 路与发射极短接，以便 让栅电容放电。当栅电 压下降到MOSFET的开 启电压八度音阶以下时， 沟道消失，MOS管关断， PNP基路。
4、工作特性与参数
❖伏安特性
（1）静态特性
IC
VBR VC E
IGBT的伏安特性与GTR 类似，不同之处是，控 制参数是门源电压VGS， 而不是基极电流，伏安 特性分饱和区（Ⅰ）、 放大区（Ⅱ）和击穿区 （Ⅲ）。如果无N+缓冲 区，正反向阻断电压可 以做到同样水平，但加 入缓冲区，反向阻断电 压只有几十伏。
1、基本结构
IGBT每个器 件单元实际 上就是 MOSFET和 双极晶体管 BJT的组合
集电极 C
铝栅结构IGBT
硅栅结构IGBT
S
α2 α1
D
等效电路
C（D） G
IGBT单相电压型半桥无源逆变电路设计
IGBT单相电压型半桥无源逆变电路设计中北大学电子技术课程设计说明书1 引言本次课程设计的题目是IGBT单相电压型半桥无源逆变电路设计，根据电力电子技术的相关知识，单相桥式逆变电路是一种常见的逆变电路，与整流电路相比较，把直流电变成交流电的电路成为逆变电路。
当交流侧接在电网上，称为有源逆变；当交流侧直接和负载相接时，称为无源逆变，逆变电路在现实生活中有很广泛的应用。
电力电子技术课程设计是电力电子技术课程理论教学之后的一个实践教学环节。
其目的是训练学生综合运用学过的各种变流电路原理的基础知识，独立完成查找资料、选择方案、设计电路、撰写报告的能力，使学生进一步加深对变流电路基本理论的理解和基本技能的运用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。
2 工作原理概论2.1 IGBT单相电压型半桥无源逆变电路 2.1.1单相电压型逆变电路（1）半桥逆变电路结构及其工作原理V1和V2栅极信号各半周正偏、半周反偏，二者互补。
输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，输出电流io波形随负载而异，感性负载时，V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量，VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，还使io连续，又称续流二极管。
单相半桥电压型逆变电路及其工作波形第 1 页共 8 页中北大学电子技术课程设计说明书优点：简单，使用器件少。
缺点：交流电压幅值Ud/2，直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡，用于几kW以下的小功率逆变电源。
2.1.2 IGBT绝缘栅双极型晶体管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。