功率器件IGBT應用中的常見(jiàn)問(wèn)題解決方法

1 引言

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、安全工作區大。隨著(zhù)電壓、電流等級的不斷提高，IGBT成為了大功率開(kāi)關(guān)電源、變頻調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用。

隨著(zhù)現代電力電子技術(shù)的高頻大功率化的發(fā)展，開(kāi)關(guān)器件在應用中潛在的問(wèn)題越來(lái)越凸出，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、散熱及減少線(xiàn)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。本文就針對這方面 進(jìn)行了綜述。

2 IGBT的應用領(lǐng)域

2.1 在變頻調速器中的應用［3］

SPWM變頻調速系統的原理框圖如圖1所示。主回路為以IGBT為開(kāi)關(guān)元件的電壓源型SPWM逆變器的標準拓撲電路，電容由一個(gè)整流電路進(jìn)行充電，控制回路產(chǎn)生的SPWM信號經(jīng)驅動(dòng)電路對逆變器的輸出波形進(jìn)行控制;變頻器向異步電動(dòng)機輸出相應頻率、幅值和相序的三相交流電壓，使之按一定的轉速和旋轉方向運轉。

2.2 在開(kāi)關(guān)電源中的應用［5］

圖2為典型的ups系統框圖。它的基本結構是一套將交流電變?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制（SPWM）法。

2.3 在有源濾波器中的應用［6］

并聯(lián)型有源濾波系統的原理圖如圖3所示。主電路是以IGBT為開(kāi)關(guān)元件的逆變器，它向系統注入反向的諧波值，理論上可以完全濾除系統中存在的諧波。與變 頻調速器不同的是，有源濾波器pwm控制信號的調制波是需要補償的各次諧波的合成波形，為了能精確的反映出調制波的各次諧波成分，必須大大提高載波的頻 率。這對開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率也提出了更高的要求。

3 IGBT應用中的常見(jiàn)問(wèn)題分析

顯然，IGBT是作為逆變器的開(kāi)關(guān)元件應用到各個(gè)系統中 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［1］。但是通常的pwm逆變器中，開(kāi)關(guān)器件在高電壓下導通，在大電流下關(guān)斷，處于強迫 開(kāi)關(guān)過(guò)程，在高開(kāi)關(guān)頻率下運行時(shí)將受到如下一系列因素的限制：

（1） 產(chǎn)生擎住效應或動(dòng)態(tài)擎住效應

IGBT為四層結構，使體內存在一個(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)體區短路電rs，p型體區的橫向空穴流會(huì )產(chǎn) 生一定的壓降，對j3來(lái)說(shuō)相當于一個(gè)正偏置電壓。在規定的范圍內，這個(gè)正偏置電壓不大，npn管不會(huì )導通。當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，它使ic增大，造成過(guò)高的功耗，甚至導致器件損 壞。溫度升高會(huì )使得IGBT發(fā)生擎住的icm嚴重下降［2］。

在IGBT關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，如果dvce/dt越高，則在j2結中引起 的位移電流cj2dvce/dt越大，當該電流流過(guò)體區短路電阻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(mǎn)足寄生晶閘管開(kāi)通擎住的條件，形 成動(dòng)態(tài)擎住效應。溫度升高會(huì )加重IGBT發(fā)生動(dòng)態(tài)擎住效應的危險。

（2） 過(guò)高的di/dt會(huì )通過(guò)IGBT和緩沖電路之間的線(xiàn)路電感引起開(kāi)關(guān)時(shí)的電壓過(guò)沖

以線(xiàn)路電感lб≠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導通，voe=0，由于it隨時(shí)間線(xiàn)性減小，電感lб兩端感應電壓vl=vbc=lбdit/dt應為負值，

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(kāi)關(guān)兩端電壓

vt=vcem=vd-vl=vd+lбi0/tfi

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的數值取決于lб、tfi和負載電流i0，

顯然過(guò)快的電流下降率di/dt（即tfi?。?、過(guò)大的雜散電感lб或負載電流過(guò)大都會(huì )引起關(guān)斷時(shí)元件嚴重過(guò)電壓， 且伴隨著(zhù)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，在大電感負載下，反而是有害的，開(kāi)通時(shí)，存在續流二極管反 向恢復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，導致IGBT或者續流二極管損壞。關(guān)斷時(shí)，大電感負載隨 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)運行軌跡超出反向安全工作區（rbsoa）;

反向安全工作區（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(xiàn)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，因為柵極負偏壓和輸入電容 cge的存在，這時(shí)柵極電壓所達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(mén)檻值而使本應截止的管子導通，因此上下橋臂直通而過(guò)電流［7］。

如果由此引起的門(mén)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 )連續多次出現，實(shí)驗證明這一現象確實(shí)存在。