IGBT應用中常見(jiàn)問(wèn)題及解決方法

4.1 選用有效的過(guò)流保護驅動(dòng)電路　　

在igbt的應用中，關(guān)鍵是過(guò)流保護。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，因而對過(guò)流保護的要求就更高了。igbt的過(guò)電流保護可分為兩種類(lèi)型，一種是低倍數（1.2~1.5倍）的過(guò)載電流保護;　　

另一種是高倍數（8~10倍）的短路電流保護。對于過(guò)載保護可采用瞬時(shí)封鎖門(mén)極脈沖的方法來(lái)實(shí)現保護。對于短路電流保護，加瞬時(shí)封鎖門(mén)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出很高的集電極電壓過(guò)沖擊穿igbt，使保護失效?！　?/P>

因此對igbt而言，可靠的短路電流保護應具備下列特點(diǎn)：　　

（1） 首先應軟降柵壓，以限制短路電流峰值，延長(cháng)允許短路時(shí)間，為保護動(dòng)作贏(yíng)得時(shí)間;　　

（2） 保護切斷短路電流應實(shí)施軟關(guān)斷　　

igbt驅動(dòng)器exb841、m57962和hl402b均能滿(mǎn)足以上要求。但這些驅動(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。為此可利用驅動(dòng)器的故障檢測輸出端通過(guò)光電耦合器來(lái)徹底封鎖門(mén)極脈沖，或將工作頻率降低至1hz以下，在故障消失時(shí)自動(dòng)恢復至正常工作頻率?！　?/P>

如圖6所示，igbt的驅動(dòng)模塊m57962l上自帶保護功能，檢測電路檢測到檢測輸入端1腳為15v高電平時(shí)，判定為電流故障，立即啟動(dòng)門(mén)關(guān)斷電路，將輸出端5腳置低電平，使igbt截止，同時(shí)輸出誤差信號使故障輸出端8腳為低電平，以驅動(dòng)外接保護電路工作，延時(shí)8~10μs封鎖驅動(dòng)信號，這樣能很好地實(shí)現過(guò)流保護。經(jīng)1~2ms延時(shí)后，如果檢測出輸入端為高電平，則m57962l復位至初始狀態(tài)。

4.2 采用無(wú)感線(xiàn)路　　

由前面的分析可知，相對于同樣的di/dt，如果減小雜散電感lб的數值，同樣可以緩減關(guān)斷過(guò)程的dvce/dt。對于功率較大的igbt裝置，線(xiàn)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，構成低感母線(xiàn)，也有專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)廠(chǎng)家為裝置配套制作無(wú)感母線(xiàn)。無(wú)感母線(xiàn)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擔，簡(jiǎn)化吸收電路結構，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?！　?/P>

4.3 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晶體管由放大區至飽和區，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(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)生擎住效應的危險，而且，會(huì )延長(cháng)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)扇以增強空氣流通，可以有效的提高散熱效率?！　?/P>

4.4 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應用　　

軟開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振， 使開(kāi)關(guān)條件得以改善， 從而抑制開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓、電流過(guò)沖，提高開(kāi)關(guān)可靠性。目前， 適用于dc/dc和dc/ac變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)有如下幾種：

（1） 諧振型變換器　　

諧振型變換器是負載r與lc電路組成的負載諧振型變換器，其諧振元件在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中一直工作，這種變換器的工作狀態(tài)與負載的關(guān)系很大，對負載的變化很敏感?！　?/P>

（2） 準諧振型變換器qrcs　　

如圖7所示（a）（b）分別為零電壓準諧振電路和零電流準諧振電路，這類(lèi)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(guò)程，一般采用脈沖頻率調制法調控輸出電壓和輸出功率。

（3） 諧振型直流環(huán)節逆變器rdcli

在逆變器直流母線(xiàn)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(xiàn)上的電容電壓vc周期性地變?yōu)榱?，從而為后面的逆變橋的開(kāi)關(guān)器件創(chuàng )造零電壓開(kāi)關(guān)條件。該電路中電壓vc的諧振峰值很高，增加了對開(kāi)關(guān)器件耐壓的要求?！　?/P>

（4） 零開(kāi)關(guān)pwm變換器　　

這類(lèi)變換器是在qrcs基礎上加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，僅在需要開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉變時(shí)才啟動(dòng)諧振電路，為開(kāi)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(kāi)關(guān)電路，（b）為零電流pwm開(kāi)關(guān)電路，變換器可按恒定頻率的pwm方式運行，但是由于諧振電感是與主開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，lr除承受諧振電流外還要提供負載電流，這樣電源供給負載的全部能量都要經(jīng)過(guò)諧振電感lr，使得電路中存在很大的環(huán)流能量，增大電路的導通損耗;　　

此外，lr的儲能極大的依賴(lài)輸入電壓和負載電流，電路很難在很寬的輸入電壓變化范圍和負載電流大范圍變化時(shí)滿(mǎn)足零電壓、零電流開(kāi)關(guān)條件。

（5） 零轉換pwm變換器　　

如果將諧振電感lr及其輔助開(kāi)關(guān)電路改為與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，主開(kāi)關(guān)通態(tài)時(shí)，lr中不流過(guò)負載電流，僅在“開(kāi)通”與“關(guān)斷”時(shí)啟動(dòng)輔助開(kāi)關(guān)電路形成主開(kāi)關(guān)管的零電壓或零電流條件， 改變主開(kāi)關(guān)通、斷狀態(tài)，開(kāi)通或關(guān)斷電路。這時(shí)輔助電路的工作不會(huì )增加主開(kāi)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載電路范圍內工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且電路中的無(wú)功交換被削減到最小。這種pwm變換器稱(chēng)為零轉換pwm變換器，如圖10所示：（a）為零電壓轉換pwm開(kāi)關(guān)電路，（b）為零電流轉換pwm開(kāi)關(guān)電路。電路簡(jiǎn)單，效率高是他們的主要特點(diǎn)。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)需要附加額外的開(kāi)關(guān)元件、輔助電源、檢測手段、控制策略等，輔助開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路要與主開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路隔離，且對輔助電路提出了更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間要求。電路與控制的復雜化帶來(lái)了成本的提高與可靠性的降低，故許多軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的推廣應用受到很大的限制。如果軟開(kāi)關(guān)技術(shù)采用新的驅動(dòng)技術(shù)，可使用與主開(kāi)關(guān)驅動(dòng)信號有簡(jiǎn)單邏輯關(guān)系的信號控制輔助開(kāi)關(guān)，甚至由電路進(jìn)行自驅動(dòng)，那么控制、檢測、驅動(dòng)等附加電路可全部去掉，這將是軟開(kāi)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(chēng)緩沖電路。它利用無(wú)源器件通過(guò)參數匹配使主開(kāi)關(guān)管工作于零電壓或零電流狀態(tài)，達到抑制電力電子器件的關(guān)斷時(shí)過(guò)電壓、開(kāi)通時(shí)過(guò)電流，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗的目的。吸收電路一般分為兩類(lèi)：　　

（1） 吸收電路中儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，稱(chēng)其為耗能式吸收電路;　　

（2） 若吸收電路能夠將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，稱(chēng)其為能量回饋型吸收電路，或稱(chēng)為無(wú)損吸收電路?！　?/P>

傳統的耗能式吸收電路把能量通過(guò)電阻泄放，主管開(kāi)關(guān)損耗的降低以額外吸收損耗的增加為代價(jià)，而無(wú)損吸收技術(shù)能夠將儲能元件中的能量回饋至電源、負載或大幅削減其數值，大大增加吸收強度，達到軟開(kāi)關(guān)目的。

實(shí)現橋臂無(wú)損吸收見(jiàn)諸文獻的大約有如圖11所示幾種。圖11（a）（e）電路從理論上實(shí)現了逆變器橋臂的無(wú)源無(wú)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(guò)高是該電路的致命弱點(diǎn);　　

圖11（c）（d