功率器件IGBT應(yīng)用中的常見問題解決方法
1 引言
80年代問世的絕緣柵雙極性晶體管IGBT是一種新型的電力電子器件,它綜合了gtr和MOSFET的優(yōu)點(diǎn),控制方便、開關(guān)速度快、工作頻率高、安全工作區(qū)大。隨著電壓、電流等級(jí)的不斷提高,IGBT成為了大功率開關(guān)電源、變頻調(diào)速和有源濾波器等裝置的理想功率開關(guān)器件,在電力電子裝置中得到非常廣泛的應(yīng)用。
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻大功率化的發(fā)展,開關(guān)器件在應(yīng)用中潛在的問題越來越凸出,開關(guān)過程引起的電壓、電流過沖,影響到了逆變器的工作效率和工作可 靠性。為解決以上問題,過電流保護(hù)、散熱及減少線路電感等措施被積極采用,緩沖電路和軟開關(guān)技術(shù)也得到了廣泛的研究,取得了迅速的進(jìn)展。本文就針對(duì)這方面 進(jìn)行了綜述。
2 IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域
2.1 在變頻調(diào)速器中的應(yīng)用[3]
SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。主回路為以IGBT為開關(guān)元件的電壓源型SPWM逆變器的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)潆娐罚娙萦梢粋€(gè)整流電路進(jìn)行充電,控制回路產(chǎn)生的SPWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)逆變器的輸出波形進(jìn)行控制;變頻器向異步電動(dòng)機(jī)輸出相應(yīng)頻率、幅值和相序的三相交流電壓,使之按一定的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)轉(zhuǎn)。
2.2 在開關(guān)電源中的應(yīng)用[5]
圖2為典型的ups系統(tǒng)框圖。它的基本結(jié)構(gòu)是一套將交流電變?yōu)橹绷麟姷恼髌骱统潆娖饕约鞍阎绷麟娫僮優(yōu)榻涣麟姷哪孀兤鳌P铍姵卦诮涣麟娬9╇姇r(shí)貯存 能量且維持正常的充電電壓,處于“浮充”狀態(tài)。一旦供電超出正常的范圍或中斷時(shí),蓄電池立即對(duì)逆變器供電,以保證ups電源輸出交流電壓。
ups逆變電源中的主要控制對(duì)象是逆變器,所使用的控制方法中用得最為廣泛的是正弦脈寬調(diào)制(SPWM)法。
2.3 在有源濾波器中的應(yīng)用[6]
并聯(lián)型有源濾波系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。主電路是以IGBT為開關(guān)元件的逆變器,它向系統(tǒng)注入反向的諧波值,理論上可以完全濾除系統(tǒng)中存在的諧波。與變 頻調(diào)速器不同的是,有源濾波器pwm控制信號(hào)的調(diào)制波是需要補(bǔ)償?shù)母鞔沃C波的合成波形,為了能精確的反映出調(diào)制波的各次諧波成分,必須大大提高載波的頻 率。這對(duì)開關(guān)器件的開關(guān)頻率也提出了更高的要求。
3 IGBT應(yīng)用中的常見問題分析
顯然,IGBT是作為逆變器的開關(guān)元件應(yīng)用到各個(gè)系統(tǒng)中 的,常用的控制方法是pwm法。理論上和事實(shí)上都已經(jīng)證明,如果把pwm逆變器的開關(guān)頻率提高到20khz以上,逆變器的噪聲會(huì)更小,體積會(huì)更小,重量會(huì) 更輕,輸出電壓波形會(huì)更加正弦化,可見,高頻化是逆變技術(shù)發(fā)展方向[1]。但是通常的pwm逆變器中,開關(guān)器件在高電壓下導(dǎo)通,在大電流下關(guān)斷,處于強(qiáng)迫 開關(guān)過程,在高開關(guān)頻率下運(yùn)行時(shí)將受到如下一系列因素的限制:
(1) 產(chǎn)生擎住效應(yīng)或動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)
IGBT為四層結(jié)構(gòu),使體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管,等效電路如圖4所示。在npn管的基極與發(fā)射極之間存在一個(gè)體區(qū)短路電rs,p型體區(qū)的橫向空穴流會(huì)產(chǎn) 生一定的壓降,對(duì)j3來說相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的范圍內(nèi),這個(gè)正偏置電壓不大,npn管不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)ic大于一定程度時(shí),該正偏置電壓足以使 npn管開通,進(jìn)而使npn和pnp管處于飽和狀態(tài),于是寄生晶閘管開通,柵極失去控制作用,即擎住效應(yīng),它使ic增大,造成過高的功耗,甚至導(dǎo)致器件損 壞。溫度升高會(huì)使得IGBT發(fā)生擎住的icm嚴(yán)重下降[2]。
在IGBT關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過程中,如果dvce/dt越高,則在j2結(jié)中引起 的位移電流cj2dvce/dt越大,當(dāng)該電流流過體區(qū)短路電阻rs時(shí),可產(chǎn)生足以使npn晶體管開通的正向偏置電壓,滿足寄生晶閘管開通擎住的條件,形 成動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。溫度升高會(huì)加重IGBT發(fā)生動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)的危險(xiǎn)。
(2) 過高的di/dt會(huì)通過IGBT和緩沖電路之間的線路電感引起開關(guān)時(shí)的電壓過沖
以線路電感l(wèi)б≠0時(shí)電路進(jìn)行分析,如圖5所示,關(guān)斷過程中,感性負(fù)載電流iб保持不變,即iб=it+id保持不變,it從零增大到iб。由于二極管d導(dǎo)通,voe=0,由于it隨時(shí)間線性減小,電感l(wèi)б兩端感應(yīng)電壓vl=vbc=lбdit/dt應(yīng)為負(fù)值,
vcb為正值, 即c點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位。
由于 it=i0(1-t/tfi)
故 vl=vbc=lбdit/dt=-lбi0/tfi《0
vcb= -vbc= lбi0/tfi
在it下降的tfi期間,開關(guān)兩端電壓
vt=vcem=vd-vl=vd+lбi0/tfi
因此, 在關(guān)斷過程一開始,vt立即從零上升到vcem, it在從i0下降至零期間, vt=vcem不變。直到it=0、id=i0以后,
vt才下降為電源電壓vd,如圖5(b)所示。vcem超過vd的數(shù)值取決于lб、tfi和負(fù)載電流i0,
顯然過快的電流下降率di/dt(即tfi小)、過大的雜散電感l(wèi)б或負(fù)載電流過大都會(huì)引起關(guān)斷時(shí)元件嚴(yán)重過電壓, 且伴隨著很大的功耗。
可見,盡管IGBT的快速開通和關(guān)斷有利于縮短開關(guān)時(shí)間和減小開關(guān)損耗,但過快的開通和關(guān)斷,在大電感負(fù)載下,反而是有害的,開通時(shí),存在續(xù)流二極管反 向恢復(fù)電流和吸收電容器的放電電流,則開通越快,IGBT承受的峰值電流也就越大,甚至急劇上升,導(dǎo)致IGBT或者續(xù)流二極管損壞。關(guān)斷時(shí),大電感負(fù)載隨 IGBT的超速開通和關(guān)斷,將在電路中產(chǎn)生高頻、幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓ldi/dt,常規(guī)的過電壓吸收電路由于受到二極管開通速度的限制難以吸收 該尖峰電壓,因而vce陡然上升產(chǎn)生過沖現(xiàn)象,IGBT將承受較高的dvce/dt沖擊,有可能造成自身或電路中其它元器件因過電壓擊穿而損壞。
(3) 在開通和關(guān)斷瞬間開關(guān)器件的狀態(tài)運(yùn)行軌跡超出反向安全工作區(qū)(rbsoa);
反向安全工作區(qū)(rbsoa)是由最大 集電極電流icm、最大集射極間電壓vce和電壓上升率dvce/dt三條極限邊界線圍成的,隨IGBT關(guān)斷時(shí)的在加dvce/dt而改變,dvce /dt越高,rbsoa越窄,因此在開通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的高dvce/dt將會(huì)使開關(guān)器件的狀態(tài)運(yùn)行軌跡更容易超出rbsoa,影響開關(guān)可靠性。
(4) 二極管反向恢復(fù)時(shí)的dv/dt和IGBT關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓會(huì)在開關(guān)時(shí)產(chǎn)生過流。
眾所周知,IGBT存在彌勒電容ccg和輸入電容cge,IGBT兩端的電壓過沖會(huì)通過ccg耦合柵極,使柵極電壓瞬時(shí)升高,因?yàn)闁艠O負(fù)偏壓和輸入電容 cge的存在,這時(shí)柵極電壓所達(dá)到的高度比集電極的過沖要低的多,但它還是可能超過門檻值而使本應(yīng)截止的管子導(dǎo)通,因此上下橋臂直通而過電流[7]。
如果由此引起的門極電壓足以使管子進(jìn)入飽和,則已不是直通而是短路了。在集電極電壓過沖后的震蕩衰減過程中這種過流或短路也會(huì)連續(xù)多次出現(xiàn),實(shí)驗(yàn)證明這一現(xiàn)象確實(shí)存在。
4 常用的解決方法
對(duì)于以上問題,一般采取的實(shí)用性措施有:選用有效的過流保護(hù)電路、采用無感線路、積極散熱、采用吸收電路和軟開關(guān)技術(shù)。
4.1 選用有效的過流保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路
在IGBT的應(yīng)用中,關(guān)鍵是過流保護(hù)。IGBT能承受的過流時(shí)間僅為幾微秒,這與scr、gtr(幾十微秒)等器件相比要小得多,因而對(duì)過流保護(hù)的要求就更高了。IGBT的過電流保護(hù)可分為兩種類型,一種是低倍數(shù)(1.2~1.5倍)的過載電流保護(hù);
另一種是高倍數(shù)(8~10倍)的短路電流保護(hù)。對(duì)于過載保護(hù)可采用瞬時(shí)封鎖門極脈沖的方法來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。對(duì)于短路電流保護(hù),加瞬時(shí)封鎖門極脈沖會(huì)因短路電流下降的di/dt太大,極易在回路雜散電感上感應(yīng)出很高的集電極電壓過沖擊穿IGBT,使保護(hù)失效[8]。
因此對(duì)IGBT而言,可靠的短路電流保護(hù)應(yīng)具備下列特點(diǎn):
(1) 首先應(yīng)軟降柵壓,以限制短路電流峰值,延長(zhǎng)允許短路時(shí)間,為保護(hù)動(dòng)作贏得時(shí)間;
?。?) 保護(hù)切斷短路電流應(yīng)實(shí)施軟關(guān)斷
IGBT驅(qū)動(dòng)器exb841、m57962和hl402b均能滿足以上要求。但這些驅(qū)動(dòng)器不能徹底封鎖脈沖,如不采取措施在故障不消失情況下會(huì)造成每周 期軟關(guān)斷保護(hù)一次的情況,這樣產(chǎn)生的熱積累仍會(huì)造成IGBT的損壞。為此可利用驅(qū)動(dòng)器的故障檢測(cè)輸出端通過光電耦合器來徹底封鎖門極脈沖,或?qū)⒐ぷ黝l率降 低至1hz以下,在故障消失時(shí)自動(dòng)恢復(fù)至正常工作頻率[9]。
如圖6所示,IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊m57962l上自帶保護(hù)功能,檢測(cè)電路 檢測(cè)到檢測(cè)輸入端1腳為15v高電平時(shí),判定為電流故障,立即啟動(dòng)門關(guān)斷電路,將輸出端5腳置低電平,使IGBT截止,同時(shí)輸出誤差信號(hào)使故障輸出端8腳 為低電平,以驅(qū)動(dòng)外接保護(hù)電路工作,延時(shí)8~10μs封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào),這樣能很好地實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。經(jīng)1~2ms延時(shí)后,如果檢測(cè)出輸入端為高電平,則 m57962l復(fù)位至初始狀態(tài)。
4.2 采用無感線路
由前面的分析可知,相對(duì)于同樣的di/dt,如果減小雜散電感l(wèi)б的數(shù)值,同樣可以緩減關(guān)斷過程的dvce/dt。對(duì)于功率較大的IGBT裝置,線路寄 生電感較大,可用兩條寬而薄的母排,中間夾一層絕緣材料,相互緊疊在一起,構(gòu)成低感母線,也有專門的生產(chǎn)廠家為裝置配套制作無感母線。無感母線降低電壓過 沖的意義不僅為了避免過流或短路,還在于減輕吸收電路的負(fù)擔(dān),簡(jiǎn)化吸收電路結(jié)構(gòu),減少吸收電阻功耗,減少逆變器的體積。這也是很令人關(guān)注的問題[7]。
4.3 積極散熱
IGBT在開通過程中,大部分時(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)行的,只是在集射電壓vce下降過程后期,pnp晶體管由放大區(qū)至飽和區(qū),增加了一段延緩時(shí) 間,使vce波形被分為兩段。IGBT在關(guān)斷過程中,MOSFET關(guān)斷后,pnp晶體管中的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除,使集電極電流波形變?yōu)閮啥?,造成集電極 電流較大的拖尾時(shí)間。顯然,開通關(guān)斷時(shí)間的延遲會(huì)增加開關(guān)損耗,并且,每開通關(guān)斷一次損耗就會(huì)累加,如果開關(guān)頻率很高,損耗就會(huì)很大,除了降低逆變器的效 率以外,損耗造成的最直接的影響就是溫度升高,這不僅會(huì)加重IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn),而且,會(huì)延長(zhǎng)集電極電流的下降時(shí)間和集射電壓的上升時(shí)間,引起關(guān) 斷損耗的增加。顯然,這是一個(gè)惡性循環(huán),因此,為IGBT提供良好的散熱條件是有效利用器件,減少損耗的主要措施。除了正確安裝散熱器外,安裝風(fēng)扇以增強(qiáng) 空氣流通,可以有效的提高散熱效率。
4.4 軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用
軟開關(guān)技術(shù)是在電路中增加了小電感、電容等諧振元件, 在開關(guān)過程前后引入諧振, 使開關(guān)條件得以改善, 從而抑制開關(guān)過程的電壓、電流過沖,提高開關(guān)可靠性。目前, 適用于dc/dc和dc/ac變換器的軟開關(guān)技術(shù)有如下幾種[10]:
(1) 諧振型變換器
諧振型變換器是負(fù)載r與lc電路組成的負(fù)載諧振型變換器,其諧振元件在整個(gè)開關(guān)周期中一直工作,這種變換器的工作狀態(tài)與負(fù)載的關(guān)系很大,對(duì)負(fù)載的變化很敏感。
(2) 準(zhǔn)諧振型變換器qrcs
如圖7所示(a)(b)分別為零電壓準(zhǔn)諧振電路和零電流準(zhǔn)諧振電路,這類變換器的諧振元件只參與能量變換的某一階段而不是全過程,一般采用脈沖頻率調(diào)制法調(diào)控輸出電壓和輸出功率。
(3) 諧振型直流環(huán)節(jié)逆變器rdcli
在逆變器直流母線與直流輸入端之間加入一個(gè)輔助lc諧振回路,如圖8所示,工作時(shí)啟動(dòng)lc電路不斷地諧振,使并聯(lián)在直流母線上的電容電壓vc周期性地變 為零,從而為后面的逆變橋的開關(guān)器件創(chuàng)造零電壓開關(guān)條件。該電路中電壓vc的諧振峰值很高,增加了對(duì)開關(guān)器件耐壓的要求。
(4) 零開關(guān)pwm變換器
這類變換器是在qrcs基礎(chǔ)上加入一個(gè)輔助開關(guān)管來控制諧振元件的諧振過程,僅在需要開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)才啟動(dòng)諧振電路,為開通或關(guān)斷制造零電壓或零電流條 件。如圖9所示(a)為零電壓pwm開關(guān)電路,(b)為零電流pwm開關(guān)電路,變換器可按恒定頻率的pwm方式運(yùn)行,但是由于諧振電感是與主開關(guān)管串 聯(lián),lr除承受諧振電流外還要提供負(fù)載電流,這樣電源供給負(fù)載的全部能量都要經(jīng)過諧振電感l(wèi)r,使得電路中存在很大的環(huán)流能量,增大電路的導(dǎo)通損耗;
此外,lr的儲(chǔ)能極大的依賴輸入電壓和負(fù)載電流,電路很難在很寬的輸入電壓變化范圍和負(fù)載電流大范圍變化時(shí)滿足零電壓、零電流開關(guān)條件。
(5) 零轉(zhuǎn)換pwm變換器
如果將諧振電感l(wèi)r及其輔助開關(guān)電路改為與主開關(guān)并聯(lián),主開關(guān)通態(tài)時(shí),lr中不流過負(fù)載電流,僅在“開通”與“關(guān)斷”時(shí)啟動(dòng)輔助開關(guān)電路形成主開
關(guān)管的零電壓或零電流條件, 改變主開關(guān)通、斷狀態(tài),開通或關(guān)斷電路。這時(shí)輔助電路的工作不會(huì)增加主開關(guān)管的電壓和電流壓力,
逆變器可以在很寬的輸入電壓范圍和負(fù)載電路范圍內(nèi)工作在軟開關(guān)狀態(tài),且電路中的無功交換被削減到最小。這種pwm變換器稱為零轉(zhuǎn)換pwm變換器,如圖10所示:(a)為零電壓轉(zhuǎn)換pwm開關(guān)電路,(b)為零電流轉(zhuǎn)換pwm開關(guān)電路。電路簡(jiǎn)單,效率高是他們的主要特點(diǎn)。
軟開關(guān)技術(shù)需要附加額外的開關(guān)元件、輔助電源、檢測(cè)手段、控制策略等,輔助開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路要與主開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路隔離,且對(duì)輔助電路提出了更快的開關(guān)時(shí)間要 求。電路與控制的復(fù)雜化帶來了成本的提高與可靠性的降低,故許多軟開關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用受到很大的限制。如果軟開關(guān)技術(shù)采用新的驅(qū)動(dòng)技術(shù),可使用與主開關(guān)驅(qū) 動(dòng)信號(hào)有簡(jiǎn)單邏輯關(guān)系的信號(hào)控制輔助開關(guān),甚至由電路進(jìn)行自驅(qū)動(dòng),那么控制、檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)等附加電路可全部去掉,這將是軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的方向之一。
4.5 吸收電路
吸收電路,又稱緩沖電路。它利用無源器件通過參數(shù)匹配使主開關(guān)管工作于零電壓或零電流狀態(tài),達(dá)到抑制電力電子器件的關(guān)斷時(shí)過電壓、開通時(shí)過電流,減小器件的開關(guān)損耗的目的。吸收電路一般分為兩類:
?。?) 吸收電路中儲(chǔ)能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上,稱其為耗能式吸收電路;
?。?) 若吸收電路能夠?qū)⑵鋬?chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電源,稱其為能量回饋型吸收電路,或稱為無損吸收電路。
傳統(tǒng)的耗能式吸收電路把能量通過電阻泄放,主管開關(guān)損耗的降低以額外吸收損耗的增加為代價(jià),而無損吸收技術(shù)能夠?qū)?chǔ)能元件中的能量回饋至電源、負(fù)載或大幅削減其數(shù)值,大大增加吸收強(qiáng)度,達(dá)到軟開關(guān)目的[4]。
實(shí)現(xiàn)橋臂無損吸收見諸文獻(xiàn)的大約有如圖11所示幾種。圖11(a)(e)[12]電路從理論上實(shí)現(xiàn)了逆變器橋臂的無源無損吸收,但用作能量回饋的變壓器,其副邊的二極管耐壓值過高是該電路的致命弱點(diǎn);
圖11(c)(d)[11]實(shí)際上是用于橋式dc-dc變換器的結(jié)構(gòu), 這一拓?fù)渲须姼袉渭冇米饕种莆针娙莩浞烹婋娏?,圖11 幾種無源無損耗吸收電路對(duì)于一般逆變橋臂則起不到開通緩沖的作用; 圖11(b)[13]是無損吸收電路研究的最新水平,它完全用lcd網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無損吸收,避免了互感元件帶來的一系列問題, 最大限度地歸并元件, 工程適用化程度高;
但也存在一些問題,如主開關(guān)關(guān)斷沖擊電壓和開通電流過沖相互制約, 且負(fù)載依賴性大, 工作適應(yīng)范圍小,設(shè)計(jì)、安裝難度大,多相臂間可能相互影響等。吸收電路是最早被采用的開關(guān)應(yīng)力改善方法。相比軟開關(guān)技術(shù),他在變換效率、可靠性等指標(biāo)上以 及性價(jià)比方面占優(yōu)。但也存在一些缺點(diǎn):具有較強(qiáng)負(fù)載依賴性;使用變壓器時(shí),負(fù)邊二極管耐壓值過高; 吸收網(wǎng)絡(luò)分析困難,附加損耗大等,這些都是與無源方式的固有性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的。
5 結(jié)束語(yǔ)
為降低pwm逆變器中的功率元件IGBT高頻工作下的開關(guān)損耗,改善線路電感分布電容等因素對(duì)開關(guān)及其工作過程的影響,抑制開關(guān)在開通和關(guān)斷時(shí)的di/dt和dv/dt,本文介紹了多種解決方法。
選用帶有效過流保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路是IGBT開關(guān)逆變器正常工作的前提,目前國(guó)內(nèi)外常用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路模塊都帶有過流保護(hù)功能,對(duì)短路電流能夠正確的判斷并采取相應(yīng)措施,對(duì)開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)可靠的保護(hù)。
積極散熱是必不可少的措施,雖然它不能從本質(zhì)上降低開關(guān)損耗,提高開關(guān)可靠性,但保持一定的冷卻條件不僅可以減少發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn),也可以在一定程度上抑制開關(guān)損耗。
軟開關(guān)是在開關(guān)處于零電壓或零電流狀態(tài)時(shí)開通或關(guān)斷,則理論上由于元件在開關(guān)前后狀態(tài)不變,即di/dt=0或dv/dt=0,就沒有了過壓和過流的問 題,而且,開關(guān)速度不受影響,損耗就減少了。但為了制造軟開關(guān),開通狀態(tài)下的電壓電流難免會(huì)作相應(yīng)的變化(振蕩),增加通態(tài)損耗,由于導(dǎo)通壓降不是很大, 損耗不會(huì)增加很多。
吸收電路是將在元件開關(guān)過程中產(chǎn)生的過壓和過流等多余的能量吸收,并存儲(chǔ)在儲(chǔ)能元件里,等開關(guān)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),再想辦法把儲(chǔ)存的能量反饋到電源和負(fù)載中,以提高逆變器的效率。
采用無感母線可以減輕吸收電路的負(fù)擔(dān),簡(jiǎn)化吸收電路結(jié)構(gòu),降低吸收電阻功耗,減少逆變器的體積。
以上幾項(xiàng)措施的采用,使得IGBT即便在高開關(guān)頻率下也能安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行。