IGBT 應(yīng)用常見問題及解決方法

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突出，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。

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。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。

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，

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。

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。

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)。

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。

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。

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)。

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].

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)閮啥危斐杉姌O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，