功率器件IGBT應(yīng)用中的常見問題解決方法

1 引言

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凸出，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。本文就針對這方面 進(jìn)行了綜述。

2 IGBT的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 在變頻調(diào)速器中的應(yīng)用［3］

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信號經(jīng)驅(qū)動電路對逆變器的輸出波形進(jìn)行控制;變頻器向異步電動機(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)。

2.2 在開關(guān)電源中的應(yīng)用［5］

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(diào)制（SPWM）法。

2.3 在有源濾波器中的應(yīng)用［6］

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。這對開關(guān)器件的開關(guān)頻率也提出了更高的要求。

3 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，逆變器的噪聲會更小，體積會更小，重量會 更輕，輸出電壓波形會更加正弦化，可見，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)的橫向空穴流會產(chǎn) 生一定的壓降，對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。溫度升高會使得IGBT發(fā)生擎住的icm嚴(yán)重下降［2］。

在IGBT關(guān)斷的動態(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 成動態(tài)擎住效應(yīng)。溫度升高會加重IGBT發(fā)生動態(tài)擎住效應(yīng)的危險(xiǎn)。

（2） 過高的di/dt會通過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，

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，開關(guān)兩端電壓

vt=vcem=vd-vl=vd+lбi0/tfi

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?。?、過大的雜散電感l(wèi)б或負(fù)載電流過大都會引起關(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［7］。

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連續(xù)多次出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)證明這一現(xiàn)象確實(shí)存在。