第４５卷第６期 ２０１１年６月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏｌ｜４５．Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１１ 两种ＩＧＢＴ的性能参数比较和选型 陈 骞，贺明智，郑琼林 （北京交通大学，电气工程学院，北京１０００４４） 摘要：介绍了绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）几种必要性能参数的意义和选择要求，为开关电源场合中ＩＧＢＴ的应用 选择提供依据。以降压斩波电路作为实验平台，对同一电压电流等级不同型号的ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２和 ２ＭＢＩ１２ＯＯＵＧ一１７０进行了理论分析与实验结果比较，确定了各自的性能特点。 关键词：绝缘栅双极型晶体管；性能参数；斩波电路 中图分类号：ＴＮ３２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００一ｌＯＯＸ（２０１１）０６—０１０６—０３ Ｄａｔａｓｈｅｅｔ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｔｙｐｅｓ ｏｆ ＩＧＢＴ ＣＨＥＮ Ｑｉａｎ，ＨＥ Ｍｉｎｇ—ｚｈｉ，Ｔｒｉｌｌｉｏｎ Ｑ．ＺＨＥＮＧ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｏ＇ｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄａｔａｓｈｅｅｔ ｃｏｎｎｏｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ＩＧＢＴ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ．Ｂｙ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｕｃｋ ｃｈｏｐｐｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３Ｂ２ ＿ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ２ＭＢＩ１２ＯＯＵＧ一１７０ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ；ｄａｔａｓｈｅｅｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｃｈｏｐｐｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ １ 引 言 ＩＧＢＴ是一种由ＭＯＳＦＥＴ和ＧＴＲ复合而成的 ２ ＩＧＢＴ的性能参数 ２．１ 电流参数 新型电力电子开关器件，具有输入阻抗高、驱动功 率小、开关速度快、电压电流容量大、安全工作区 宽等优点【Ｉ． 。然而不同应用场合对ＩＧＢＴ的选择 仍有一定难度．需要考虑很多关键因素，才能使其 发挥出自身优秀的性能。选择ＩＧＢＴ时，一般先根 据其工作要求选择相应的电流电压等级，然后根 ＩＧＢＴ的电流参数主要有：集电极允许的最大 直流电流 、最大脉冲电流，ｃｐ及短路电流 。 定义为ＩＧＢＴ在１ ｍｓ内允许流过的最大电流， 定义为ＩＧＢＴ在１０ ｓ内允许流过的最大电流，这 两个参数是设定退饱和恢复时间ｚ 的重要条件。 据不同厂家提供的ＩＧＢＴ资料比较其性能参数，结 合实验确定合适的ＩＧＢＴ。在此以降压斩波电路作 为实验测试平台，根据输入电压９００ Ｖ，电感电流 为５２０ Ａ的条件确定电压电流等级为１．７ ｋＶ／１．２ ｋＡ 两种ＩＧＢＴ：ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３ Ｂ２和２ＭＢＩ１２００ＵＧ一 ｔ扛ｉ。一般设定在１０ ｓ以内，以防止驱动保护不能 在短路电流耐受时间ｔ，内及时动作。一般情况下， 门极驱动电压 上升，允许 上升，但允许短路 时间ｔ 下降。权衡 与ｔ 后，一般取 ＝１５ Ｖ，此 时对应ｔｌ＝１０ ｓ。 ２．２ 电压参数 １７０，将两者进行性能比较，给出其优缺点。 ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３Ｂ２．２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０模块封 ＿ＩＧＢＴ电压参数主要有：发射极．集电极间最大 电压 、发射极一集电极饱和压降 、栅极门 槛电压 （ 及反并联二极管前向导通压降 。由 于线路电感的存在，ＩＧＢＴ关断时存在电压尖峰． 因此选择ＩＧＢＴ时需要考虑１～２倍的电压裕量。 同时采用缓冲电路保证ＩＧＢＴ的电压尖峰不超出 。装相同．均为带有反并联二极管的双管结构：即１个 模块里包含２个含反并联二极管的ＩＧＢＴ。实验 中，主电路拓扑将使用１个ＩＧＢＴ模块作为电路的 开关管和续流二极管。１个ＩＧＢＴ作为开关管．另 １个ＩＧＢＴ仅使用其反并联二极管用于续流．这种 结构使得整个电路紧凑，分布参数较小，性能优异。 二极管通态损耗与ＩＧＢＴ通态损耗为： ＰＶＤ（ ）＝￡，Ｆ （１－Ｄ），尸 Ｇ （ ）＝Ｅ，ｏｅ（ ）Ｊ （１） 可见， 与尸Ⅶ（ ）有关， （ ）与片 （ ）有关， 定稿日期：２０１０—１２—３０ 另外根据 保护电流值。 与集电极电流 的曲线确定短路 （ ）是区分ＩＧＢＴ导通与关断的门 作者简介：陈 骞（１９８７一），男，浙江金华人，博士研究生， 研究方向为大功率电镀电源。 １０６ 极电压值。当 ＞ （ ）时，ＩＧＢＴ开始导通， 开始 两种ＩＧＢＴ的性能参数比较和选型 上升；当 ＜ （｝ｈ）时，ＩＧＢＴ开始关断， 开始下 降。必须保证ＩＧＢＴ开通时 ＞ ㈨，关断时 ＜ （ ），以防止ＩＧＢＴ误导通与误关断。 ２．３ 开关参数 尺 ）为模块内部固有的驱动电阻。推荐最小 开通电阻Ｒｇ（ｏｎ）与关断电阻Ｒ ㈨记载在上升时问、 下降时间、上升延迟时间以及下降延迟时间的测 试条件中，实际上可通过实验比较适当增大尺 ， Ｒ （ ），一般 ）取为推荐最小开通电阻的５－６倍， Ｒ ㈨取为推荐最小关断电阻的１—２倍。 图ｌ示出ＩＧＢＴ等效极间电容【３Ｊ。实际输入电 容Ｃｉ ＝ ＋Ｃ 。ＩＧＢＴ资料中ｃ 由电桥测得，由于 电桥电压太低，达不到门槛电压，米勒电容 效 应在Ｃ．髓上体现不出，因此ｃｉ 并不能与Ｃｉ 等同【 １。 根据许多ＩＧＢＴ厂家的经验，Ｃｉ ５Ｃｉ ，驱动电源 平均功率尸日ｖ与Ｇ 的关系为： ￣＝ｓｆｃ （ （ｏｎ）－ （ ）） （２） Ｇ 图１ ＩＧＢＴ极间等效电容 ， 分别为单位周期内ＩＧＢＴ上升沿与下 降沿的开关损耗，Ｅ 为因二极管的反向恢复作用 引起的开关损耗。不同电流值对应的 ， ，Ｅ 可根据损耗与，ｃ的关系曲线查得。由于 ， 与 １ｏ（／ｓ）， （Ｕｓ）、线路的杂散参数等相关，因此可近 似认为Ｅ ， 与 （，Ｆ）， （ ）呈正比以简化不 同Ｉｏ（／Ｆ）， （ ）情况下 ， 的计算。ＩＧＢＴ与 二极管的开关损耗为： 如） ， ｖｏ （３） ２．４热参数 热参数包括ＩＧＢＴ的结壳热阻 砌 、接触热 阻月 一， 以及二极管的结壳热阻月 Ⅷ、接触热 阻尺 加。ＩＧＢＴ与二极管的结温分别为【 】： ｆ ．ＩＧＢ ： ＋‰（Ｒｔ．ＩＧ ｔｈｃｈ ＧＢＴ） ，．、 【 ．ｖＩ】＝ 十尸、，『１（ ｔ＿ｖＤ十 ｔｈｃｈ．ｖＤ） 、 式中： 为散热器温度。 在模块内部ＩＧＢＴ芯片允许的最高结温为 １５０ ｏＣ．在任何情况下均不允许超过这一额定值。 ３性能参数比较 表１为两种ＩＧＢＴ主要参数。可见，两种ＩＧＢＴ 有以下几点区别：①２ＭＢＩ１２０ＯＵＧ一１７０的门槛电 压较高，可有效防止 下降沿的波动引起的误导 通，但其上升沿的波动则容易引起误关断；②电极 全部处于短路状态时，ＦＦ１２０ＯＲ１７ＫＥ３一Ｂ２允许电 极与冷却体的安装面间的电压有效值 较大，绝 缘强度较高；③由于２ＭＢ１１２００ＵＧ一１７０的Ｃｉ 较大， 故得２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０要求的驱动电源功率大于 ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３＿Ｂ２：④２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０的米勒电 容Ｃ 较大，当集电极电压变化较大时，会通过Ｃ 耦合至门极，使门极电压高于门槛电压引起ＩＧＢＴ 的误导通，当Ｃ 越大，这种效应就越明显。另外 ｃ 越大，ＩＧＢＴ的开关时间越长，增加了开关损 耗：⑤ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２允许的最大功率损耗 较高，相同工况下运行的可靠性也较高；⑥ＩＧＢＴ 的运行工况为：输入电压０．９ ｋＶ．电感电流平均值 ５２０Ａ，ＩＧＢＴ的开关频率３ ｋＨｚ，占空比０．１９６４。 表１ ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３＿－Ｂ２和２ＭＢＩＩ２００ＵＧ一１７０基本参数 注： ＲＲＭ为二极管反向峰值电压； 一为集电极最大直流电流。 两种ＩＧＢＴ导通压降为２Ｖ，二极管导通压降为 １．８Ｖ。ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２的开通电阻为４．１ Ｑ，关 断电阻为３．３ Ｑ，Ｅ ＝９００ｍＪ， ４７０ｎ１Ｊ， ２４０ｍＪ； ２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０的开通电阻为７．２ Ｑ。关断电阻 为３．３ Ｑ，Ｅ￣－－１ ６００ ｍＪ，Ｅ，￣ｒ＝４００ ｍＪ，Ｅ＝＝１００ ｍＪ。 由式（１），（３）可得两种１ＧＢＴ的损耗及二极 管损耗。可见，２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０二极管功率损耗 小于ＦＦ１２ＯＯＲ１７ＫＥ３一Ｂ２，但ＩＧＢＴ功率损耗大于 ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２，模块总功耗２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０ 略大。由 ＋ ＋尺 ｈ计算得ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３＿Ｂ２壳 温 ＝Ｔｈ＋１２．３９ ｏＣ，２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０壳温 ＝Ｔｈ＋ ９．４３ ｃＩ二。若水冷板温度 一致，相同工况下 ２ＭＢＩｌ２００ｕＧ一１７０壳温略低于ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３＿Ｂ２， 其原因是２ＭＢＩ１２ｏ０ＵＧ一１７０的接触热阻较小。 由 ．ＩＧＥｆｒ＝ ＋ ．衄ｒｒ， 一ｖＤ＝Ｔｃ＋只 Ｒ ．Ⅵ］可得 ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２的ＩＧＢＴ的 ．Ｉ ＝Ｔｈ＋２２．７７℃， 二极管 －Ⅶ＝Ｔｈ＋５４．４℃；２ＭＢＩ１２００ＵＧ－１７０的ＩＧＢＴ １０７ 第４５卷第６期 ２０１１年６月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４５．Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ ２０１１ 结温ＴｊａＧｍ－＝Ｔｈ＋２７．４５℃，二极管 ＝Ｔｈ＋４５．４ ｏＣ。若 于线路杂散电感的存在，当ＩＧＢＴ关断时电流的 突变在ＩＧＢＴ的集电极 发射极之间产生瞬时高 压．ＦＦ１２０ＯＲ１７ＫＥ３一Ｂ２的电压尖峰为１．１４ ｋＶ， ２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０的电压尖峰为１．２４ ｋＶ．两者电 压尖峰均小于１．７ ｋＶ．满足ＩＧＢＴ集电极．发射极 最大电压的要求。由于２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０的 下降时间略短于ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２。并且其内部 的杂散参数不如ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２理想，因此 水冷板温度一致，相同工况下ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２ 的ＩＧＢＴ结温低于２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０，而二极管的 结温则高于２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０。 ４实验结果比较 实验平台为降压斩波电路：输入电压９００ Ｖ． 负载０．３４ Ｑ．电感值０．１８ ｍＨ，电感电流５２０ Ａ，开 关频率为３ ｋＨｚ。驱动芯片采用Ｍ５７９６２Ｌ， ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０电压尖峰稍高。 Ｂ２的开通电阻为４．１ ｎ，关断电阻 为３．３ Ｑ，２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０的开通电阻７．２ ｎ，关 断电阻１．２ Ｑ。搭建降压斩波实验平台进行温升实 验。２０ ｈ内ＩＧＢＴ温度曲线如图２所示。可见， ２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０的壳温比ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３ ．Ｂ２ 低５℃，这与上述理论分析相符。温度达到稳定时， ２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０与ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２的ＩＧＢＴ 壳温与水冷板温差约７℃，说明ＩＧＢＴ与水冷板接 触热阻较小．水冷板能充分发挥作用，带走热量。 — 。＾一．－－－４ 一－ｌ 一嗣ｒ水 扳ＩＧＢ早铜綦板 彳 时间／ｈ 刖问／ｈ （ａ）ＦＦ Ｉ ２００Ｒ Ｉ ７ＫＥ３一Ｂ２ （ｂ）２ＭＢＩ ｌ ２００ＵＧ—Ｉ ７０ 图２ ２０ ｈ内ＩＧＢＴ的温度曲线 一臻，Ａ 。 一辔／Ａ ０一～ 图３为使用两种ＩＧＢＴ时系统效率卵曲线。可 见，使用ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２时系统效率略高于使 用２ＭＢＩ１２０ＯＵＧ一１７０时，这与ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２ 的总损耗略低于２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０的分析一致。 ＾ 、ｔ ｌ＾』 ） ’‘． Ｚ ，ｙ ｆ一 Ｔ一 ’ ＦＦ１２００ＲＩ ７ＫＥ３ Ｂ２ ｌ ２ＭＢＩＩ２００ＵＧ—ｌ ７０ 时ｆｉ：ｉ］Ｉｈ 图３效率曲线 根据图４比较两种ＩＧＢＴ驱动脉冲的上升沿． 可见当 达到米勒平台时， 出现一定程度的 振荡，其中２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０开通时 由于振荡 最低可降至门槛电压以下．导致ＩＧＢＴ可能出现误 关断的危险。ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２上升时问小于 ２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０，故其开通时刻开关损耗较小。 图５为两种型号ＩＧＢＴ的驱动脉冲下降沿波形。由 １０８ 蛙 蛙 ≥ ； 、 ｔｔｂ 一 一 蝰 蛙 ； ≥ － ｅ ｅ ，…Ｈｓ— ／格） — （ａ）¨ Ｉ２００ＲＩ ７ＫＥ３Ｂ２ （ｂ）２ＭＢＩ１２００１３Ｇ一１ ７０ ＿图５驱动脉冲下降沿 ５ 结 论 通过对２ＭＢＩ１２００ＵＧ一１７０与ＦＦ１２０ＯＲ１７ＫＥ３一Ｂ２ 的参数及实验结果进行分析比较不难发现，理论 分析与实验结果相吻合，并且ＦＦ１２００Ｒ１７ＫＥ３一Ｂ２ 在绝缘强度、温度特性、ＩＧＢＴ功率损耗、线路杂散 参数方面占有优势，而２ＭＢＩ１２ＯＯＵＧ一１７０则在二 极管的功率损耗方面占有优势。根据降压斩波电 路的特点以及分析结果可知，ＦＦ１２ＯＯＲＩ７ＫＥ３一Ｂ２ 更适合用于该实验平台。 参考文献 【１】谢澎波，冯君华，高波．ＩＧＢＴ在两相斩波器中的应 用［Ｊ】．船电技术，２００９，２９（１１）：４０—４２． ［２】 胡俊达．ＩＧＢＴ的驱动与保护的研究［Ｊ】．电机电器技术， ２００３，（６）：３７—３８． ［３】Ｓ Ｍｕｓｕｍｅｃｉ，Ａ Ｒａｃｉｔｉ，ＡＴｅｓｔａ，ｅｔ ａ１．Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ・ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ【Ｊ】．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９７，１２（４）：６４５—６５３． 【４】Ｈｅｉｎｚ ｒｕｅｄｉ，Ｐｅｔｅｒ ｋｏｈｌｉ．ＩＧＢＴ Ｄｒｉｖｅｓ Ｃｏ￣ｅｃｆｌｙ Ｃａｌｃｕｌａｔ－ ｅｄ［Ｚ］．ＣＴ・ｃｏｎｃｅｐｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ—ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ． 【５】叶斌．电力电子应用技术【Ｍ】．清华大学出版社，２００６．
