全球經(jīng)濟(jì)化條件下lGBT軟開關(guān)應(yīng)用與開發(fā)

一、IGBT溉述

正常IGBT的工作頻率在10—20kHz，其開關(guān)速度比GTO、IGCT快得多。在交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中，它是較好的選擇。它在中小容量裝置中淘汰功率雙極晶體管(GTR)已成定論。IEGT在高電壓領(lǐng)域中保持快速開關(guān)特性。在20世紀(jì)末，采用特殊結(jié)構(gòu)和特殊少子壽命控制(如質(zhì)子注入加特殊退火工藝規(guī)范)的IGBT，在600—1200V電壓水平下，使工作頻率達(dá)到150kHz(硬開關(guān))和300kHz(軟開關(guān))，被稱為霹靂型IGBT。它們將在開關(guān)電源中與功率MOSFET競爭，以其導(dǎo)通壓降小，電流密度大，電壓等級(jí)高，成本低等優(yōu)點(diǎn)占有優(yōu)勢。今后十年的開關(guān)電源，也許這種IGBT的市場份額將會(huì)擴(kuò)大。

二、零電壓IGBT軟開關(guān)

1、硬開關(guān)與軟開關(guān)

(1)硬開關(guān)：開關(guān)的開通與關(guān)斷伴隨著電壓和電流的劇烈變化，產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。

(2)軟開關(guān)：在主電路中加上小電感或電容等諧振元件，這樣開關(guān)管的通、斷前后引入諧振，開關(guān)條件得到改善，從而降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。

2、電壓IGBT軟開關(guān)

IGBT是功率MOSFET和雙極型晶體管組成的復(fù)合器件，IGBT比起MOSFET的優(yōu)越性在于它可以節(jié)約硅片的面積及具有雙極型晶體管的電流特性。

3、電路組成

感應(yīng)加熱電源隨著工業(yè)的發(fā)展要求，其功率越做越大。這樣，在中小功率場合廣泛應(yīng)用的MOSFET已不能滿足功率要求。在高壓大功率的電源上，IGBT成為主角。可是IGBT具

有較大的功率損耗。我們在移相全橋PWM硬開關(guān)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)諧振電感，形成了應(yīng)用IGBT的PB—ZVS—PWM變換器。

4、輸入低電壓限制

該電源的最低輸入電壓為320V，當(dāng)輸入的電壓低于正常工作需要的最低電壓時(shí)，正常的情況下一般要進(jìn)行關(guān)機(jī)操作，但是，這樣會(huì)使電壓型控制的電源進(jìn)入“閉鎖”模式，即輸出的占空比達(dá)到最大值，無法對輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)輸入電壓又回到正常值時(shí)，就會(huì)損壞電源和負(fù)載。另外，輸入電壓越低，通過功率開關(guān)管的電流就‘越大，會(huì)使開關(guān)管因功耗過大而損壞，為此我們在輸入端上用一個(gè)簡單的電壓比較器而很好地解決了此問題。

三、IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)

用IGBT作電源，工作在高速大功率開關(guān)狀態(tài)時(shí)，要使它安全可靠的

工作，必須合理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)IGBT的特點(diǎn)，我們在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了以下幾個(gè)方面的問題：

(1)選擇合適的柵極正向驅(qū)動(dòng)

電壓：從減小通態(tài)損耗的角度考慮，柵極正向電壓越高越好，但是，過高的正向柵極電壓將降低IGBT的短路承受能力，因此，我們采用折中的方法，取了一個(gè)15V左右的電壓，收到了較好的效果。

(2)加入5V反偏電壓，利于IG—BT的快速關(guān)斷：本條內(nèi)容已在2.2中提到。

(3)為了改善控制脈沖的前沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，根據(jù)IGBT電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇合適的柵極串聯(lián)電阻值。

(4)為了阻止當(dāng)集射極間加有高壓時(shí)易受外界干擾而使柵射電壓過高引起器件誤導(dǎo)通的現(xiàn)象發(fā)生。在柵射間并接入一個(gè)柵射電阻解決了此問題。另外，為了防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，我們在柵射間并接了兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值與正柵壓和負(fù)柵壓相同，但方向相反。

(5)IGBT超音頻感應(yīng)加熱頻繁起停，需要對功率器件IGBT進(jìn)行過流保護(hù)，IGBT一般能抵抗約10us的短路電流。我們通過采取對過流信號(hào)延遲搜索的方法，即當(dāng)過流故障信號(hào)來臨時(shí)，先將柵壓從+15V降至某一設(shè)定值，延時(shí)10斗s左右，再進(jìn)行檢測，若故障已消失，柵壓又自動(dòng)恢復(fù)到+15V左右，若仍處于過流狀態(tài)，則將柵壓降至零伏或以下，使IGBT截止。

四、結(jié)語

進(jìn)入21世紀(jì)以來，作為強(qiáng)電一弱電接口、推進(jìn)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)關(guān)鍵的電力電子正方興未艾地在世界上發(fā)展。今后十年是中國社會(huì)從小康走向初步富裕的重要時(shí)期，作為一個(gè)發(fā)展中國家，發(fā)展電力電子正是完成工業(yè)化、推廣信息化的重大舉措。我們將看到今后十年有關(guān)電力電子的新思想、新理論、新技術(shù)、新材料、新產(chǎn)品、新應(yīng)用將在政產(chǎn)學(xué)研各界的共同努力下，不斷涌現(xiàn)，為持續(xù)造福于人民做出應(yīng)有貢獻(xiàn)