功率器件IGBT應用中的常見問題解決方法

4 常用的解決方法

對于以上問題，一般采取的實用性措施有：選用有效的過流保護電路、采用無感線路、積極散熱、采用吸收電路和軟開關(guān)技術(shù)。

4.1 選用有效的過流保護驅(qū)動電路

在IGBT的應用中，關(guān)鍵是過流保護。IGBT能承受的過流時間僅為幾微秒，這與scr、gtr（幾十微秒）等器件相比要小得多，因而對過流保護的要求就更高了。IGBT的過電流保護可分為兩種類型，一種是低倍數(shù)（1.2~1.5倍）的過載電流保護;

另一種是高倍數(shù)（8~10倍）的短路電流保護。對于過載保護可采用瞬時封鎖門極脈沖的方法來實現(xiàn)保護。對于短路電流保護，加瞬時封鎖門極脈沖會因短路電流下降的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沖擊穿IGBT，使保護失效［8］。

因此對IGBT而言，可靠的短路電流保護應具備下列特點：

　　（1） 首先應軟降柵壓，以限制短路電流峰值，延長允許短路時間，為保護動作贏得時間;

　?。?） 保護切斷短路電流應實施軟關(guān)斷

IGBT驅(qū)動器exb841、m57962和hl402b均能滿足以上要求。但這些驅(qū)動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)生的熱積累仍會造成IGBT的損壞。為此可利用驅(qū)動器的故障檢測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，在故障消失時自動恢復至正常工作頻率［9］。

如圖6所示，IGBT的驅(qū)動模塊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，判定為電流故障，立即啟動門關(guān)斷電路，將輸出端5腳置低電平，使IGBT截止，同時輸出誤差信號使故障輸出端8腳 為低電平，以驅(qū)動外接保護電路工作，延時8~10μs封鎖驅(qū)動信號，這樣能很好地實現(xiàn)過流保護。經(jīng)1~2ms延時后，如果檢測出輸入端為高電平，則 m57962l復位至初始狀態(tài)。

4.2 采用無感線路

由前面的分析可知，相對于同樣的di/dt，如果減小雜散電感l(wèi)б的數(shù)值，同樣可以緩減關(guān)斷過程的dvce/dt。對于功率較大的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擔，簡化吸收電路結(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］。

4.3 積極散熱

IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，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 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 電流較大的拖尾時間。顯然，開通關(guān)斷時間的延遲會增加開關(guān)損耗，并且，每開通關(guān)斷一次損耗就會累加，如果開關(guān)頻率很高，損耗就會很大，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，這不僅會加重IGBT發(fā)生擎住效應的危險，而且，會延長集電極電流的下降時間和集射電壓的上升時間，引起關(guān) 斷損耗的增加。顯然，這是一個惡性循環(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，安裝風扇以增強 空氣流通，可以有效的提高散熱效率。

4.4 軟開關(guān)技術(shù)的應用

軟開關(guān)技術(shù)是在電路中增加了小電感、電容等諧振元件， 在開關(guān)過程前后引入諧振， 使開關(guān)條件得以改善， 從而抑制開關(guān)過程的電壓、電流過沖，提高開關(guān)可靠性。目前， 適用于dc/dc和dc/ac變換器的軟開關(guān)技術(shù)有如下幾種［10］：

（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，其諧振元件在整個開關(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。

（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程，一般采用脈沖頻率調(diào)制法調(diào)控輸出電壓和輸出功率。

（3） 諧振型直流環(huán)節(jié)逆變器rdcli

在逆變器直流母線與直流輸入端之間加入一個輔助lc諧振回路，如圖8所示，工作時啟動lc電路不斷地諧振，使并聯(lián)在直流母線上的電容電壓vc周期性地變 為零，從而為后面的逆變橋的開關(guān)器件創(chuàng)造零電壓開關(guān)條件。該電路中電壓vc的諧振峰值很高，增加了對開關(guān)器件耐壓的要求。

（4） 零開關(guān)pwm變換器

這類變換器是在qrcs基礎(chǔ)上加入一個輔助開關(guān)管來控制諧振元件的諧振過程，僅在需要開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時才啟動諧振電路，為開通或關(guān)斷制造零電壓或零電流條 件。如圖9所示（a）為零電壓pwm開關(guān)電路，（b）為零電流pwm開關(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)過諧振電感l(wèi)r，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滿足零電壓、零電流開關(guān)條件。

（5） 零轉(zhuǎn)換pwm變換器

如果將諧振電感l(wèi)r及其輔助開關(guān)電路改為與主開關(guān)并聯(lián)，主開關(guān)通態(tài)時，lr中不流過負載電流，僅在“開通”與“關(guān)斷”時啟動輔助開關(guān)電路形成主開

關(guān)管的零電壓或零電流條件， 改變主開關(guān)通、斷狀態(tài)，開通或關(guān)斷電路。這時輔助電路的工作不會增加主開關(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(nèi)工作在軟開關(guān)狀態(tài)，且電路中的無功交換被削減到最小。這種pwm變換器稱為零轉(zhuǎn)換pwm變換器，如圖10所示：（a）為零電壓轉(zhuǎn)換pwm開關(guān)電路，（b）為零電流轉(zhuǎn)換pwm開關(guān)電路。電路簡單，效率高是他們的主要特點。

軟開關(guān)技術(shù)需要附加額外的開關(guān)元件、輔助電源、檢測手段、控制策略等，輔助開關(guān)驅(qū)動電路要與主開關(guān)驅(qū)動電路隔離，且對輔助電路提出了更快的開關(guān)時間要 求。電路與控制的復雜化帶來了成本的提高與可靠性的降低，故許多軟開關(guān)技術(shù)的推廣應用受到很大的限制。如果軟開關(guān)技術(shù)采用新的驅(qū)動技術(shù)，可使用與主開關(guān)驅(qū) 動信號有簡單邏輯關(guān)系的信號控制輔助開關(guān)，甚至由電路進行自驅(qū)動，那么控制、檢測、驅(qū)動等附加電路可全部去掉，這將是軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的方向之一。

4.5 吸收電路

吸收電路，又稱緩沖電路。它利用無源器件通過參數(shù)匹配使主開關(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)斷時過電壓、開通時過電流，減小器件的開關(guān)損耗的目的。吸收電路一般分為兩類：

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

　?。?） 若吸收電路能夠?qū)⑵鋬δ茉哪芰炕仞伣o負載或電源，稱其為能量回饋型吸收電路，或稱為無損吸收電路。

傳統(tǒng)的耗能式吸收電路把能量通過電阻泄放，主管開關(guān)損耗的降低以額外吸收損耗的增加為代價，而無損吸收技術(shù)能夠?qū)δ茉械哪芰炕仞佒岭娫?、負載或大幅削減其數(shù)值，大大增加吸收強度，達到軟開關(guān)目的［4］。

實現(xiàn)橋臂無損吸收見諸文獻的大約有如圖11所示幾種。圖11（a）（e）［12］電路從理論上實現(xiàn)了逆變器橋臂的無源無損吸收，但用作能量回饋的變壓器，其副邊的二極管耐壓值過高是該電路的致命弱點;

圖11（c）（d）［11］實際上是用于橋式dc-dc變換器的結(jié)構(gòu)， 這一拓撲中電感單純用作抑制吸收電容充放電電流，圖11 幾種無源無損耗吸收電路對于一般逆變橋臂則起不到開通緩沖的作用; 圖11（b）［13］是無損吸收電路研究的最新水平，它完全用lcd網(wǎng)絡實現(xiàn)無損吸收，避免了互感元件帶來的一系列問題， 最大限度地歸并元件， 工程適用化程度高;

但也存在一些問題，如主開關(guān)關(guān)斷沖擊電壓和開通電流過沖相互制約， 且負載依賴性大， 工作適應范圍小，設計、安裝難度大，多相臂間可能相互影響等。吸收電路是最早被采用的開關(guān)應力改善方法。相比軟開關(guān)技術(shù)，他在變換效率、可靠性等指標上以 及性價比方面占優(yōu)。但也存在一些缺點：具有較強負載依賴性;使用變壓器時，負邊二極管耐壓值過高; 吸收網(wǎng)絡分析困難，附加損耗大等，這些都是與無源方式的固有性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的。

5 結(jié)束語

為降低pwm逆變器中的功率元件IGBT高頻工作下的開關(guān)損耗，改善線路電感分布電容等因素對開關(guān)及其工作過程的影響，抑制開關(guān)在開通和關(guān)斷時的di/dt和dv/dt，本文介紹了多種解決方法。

選用帶有效過流保護的驅(qū)動電路是IGBT開關(guān)逆變器正常工作的前提，目前國內(nèi)外常用的IGBT驅(qū)動電路模塊都帶有過流保護功能，對短路電流能夠正確的判斷并采取相應措施，對開關(guān)器件實現(xiàn)可靠的保護。

積極散熱是必不可少的措施，雖然它不能從本質(zhì)上降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)可靠性，但保持一定的冷卻條件不僅可以減少發(fā)生擎住效應的危險，也可以在一定程度上抑制開關(guān)損耗。

軟開關(guān)是在開關(guān)處于零電壓或零電流狀態(tài)時開通或關(guān)斷，則理論上由于元件在開關(guān)前后狀態(tài)不變，即di/dt＝0或dv/dt＝0，就沒有了過壓和過流的問 題，而且，開關(guān)速度不受影響，損耗就減少了。但為了制造軟開關(guān)，開通狀態(tài)下的電壓電流難免會作相應的變化（振蕩），增加通態(tài)損耗，由于導通壓降不是很大， 損耗不會增加很多。

吸收電路是將在元件開關(guān)過程中產(chǎn)生的過壓和過流等多余的能量吸收，并存儲在儲能元件里，等開關(guān)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，再想辦法把儲存的能量反饋到電源和負載中，以提高逆變器的效率。

采用無感母線可以減輕吸收電路的負擔，簡化吸收電路結(jié)構(gòu)，降低吸收電阻功耗，減少逆變器的體積。

以上幾項措施的采用，使得IGBT即便在高開關(guān)頻率下也能安全、經(jīng)濟、可靠的運行。