IGBT 應(yīng)用常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

80年代問(wèn)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源、變頻調(diào)速和有源濾波器等裝置的理想功率開(kāi)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(kāi)關(guān)器件在應(yīng)用中潛在的問(wèn)題越來(lái)越突出，開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的電壓、電流過(guò)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(wèn)題，過(guò)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(kāi)關(guān)技術(shù)也得到了廣泛的研究，取得了迅速的進(jìn)展。本文對(duì)這方面進(jìn)行了綜述。

IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域

IGBT在變頻調(diào)速器中的應(yīng)用

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(kāi)關(guān)元件的電壓源型SPWM逆變器的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)潆娐?，電容由一個(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)。

IGBT在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用

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?。蓄電池在交流電正常供電時(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。

IGBT在有源濾波器中的應(yīng)用

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(kāi)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(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率也提出了更高的要求。

IGBT應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題分析

顯然，IGBT是作為逆變器的開(kāi)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(kāi)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(jiàn)，高頻化是逆變技術(shù)發(fā)展方向。但是通常的pwm逆變器中，開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程，在高開(kāi)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(lái)說(shuō)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(kāi)通，進(jìn)而使npn和pnp管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管開(kāi)通，柵極失去控制作用，即擎住效應(yīng)，它使ic增大，造成過(guò)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。

在IGBT關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)體區(qū)短路電阻rs時(shí)，可產(chǎn)生足以使npn晶體管開(kāi)通的正向偏置電壓，滿足寄生晶閘管開(kāi)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(guò)高的di/dt會(huì)通過(guò)IGBT和緩沖電路之間的線路電感引起開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓過(guò)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(guò)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，[!--empirenews.page--]

因此，在關(guān)斷過(guò)程一開(kāi)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(guò)vd的數(shù)值取決于lб、tfi和負(fù)載電流i0,顯然過(guò)快的電流下降率di/dt(即tfi小)、過(guò)大的雜散電感l(wèi)б或負(fù)載電流過(guò)大都會(huì)引起關(guān)斷時(shí)元件嚴(yán)重過(guò)電壓，且伴隨著很大的功耗。

可見(jiàn)，盡管IGBT的快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間和減小開(kāi)關(guān)損耗，但過(guò)快的開(kāi)通和關(guān)斷，在大電感負(fù)載下，反而是有害的，開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)電壓吸收電路由于受到二極管開(kāi)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(guò)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(guò)電壓擊穿而損壞。

(3) 在開(kāi)通和關(guān)斷瞬間開(kāi)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(kāi)通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的高dvce/dt將會(huì)使開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)運(yùn)行軌跡更容易超出rbsoa,影響開(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生過(guò)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(guò)沖會(huì)通過(guò)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(guò)沖要低的多，但它還是可能超過(guò)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(guò)電流。

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(guò)沖后的震蕩衰減過(guò)程中這種過(guò)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。

常用的解決方法

對(duì)于以上問(wèn)題，一般采取的實(shí)用性措施有：選用有效的過(guò)流保護(hù)電路、采用無(wú)感線路、積極散熱、采用吸收電路和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。

1 選用有效的過(guò)流保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路

在IGBT的應(yīng)用中，關(guān)鍵是過(guò)流保護(hù)。IGBT能承受的過(guò)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(guò)流保護(hù)的要求就更高了。IGBT的過(guò)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(guò)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(guò)載保護(hù)可采用瞬時(shí)封鎖門極脈沖的方法來(lái)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(guò)沖擊穿IGBT,使保護(hù)失效。

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;

(2) 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(guò)光電耦合器來(lái)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。

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(guò)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)。

2 采用無(wú)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(guò)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(wú)感母線。無(wú)感母線降低電壓過(guò)沖的意義不僅為了避免過(guò)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(wèn)題 [7].

3 積極散熱

IGBT在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的，只是在集射電壓vce下降過(guò)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(guò)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)閮啥危斐杉姌O電流較大的拖尾時(shí)間。顯然，開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間的延遲會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，并且，每開(kāi)通關(guān)斷一次損耗就會(huì)累加，如果開(kāi)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。