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IGBT的原理與應用――IGBT的選擇及保護

發布時間: 2013/08/16 人氣 :9905

    對IGBT管,G極不加電壓,就不形成導電溝道,C-E極電阻很大,因此,應用數字萬用表電阻“×10kΩ”檔,測得C-E電阻近似為“∞”。在理論上C-E極電阻等于一個正向PN結電阻與一個反向PN結電阻串聯之和。一般IGBT管E-C極電阻為續流二極管正向電阻55kQ,C-E極電阻RCE≥107Ω。
IGBT管的二極管測量
    由于絕緣柵雙極晶體管通常與反并聯的快速二極管封裝在一起,制成模塊,因此在數字萬用表二極管檔,用紅表筆接“E”極,黑表筆接“C”極,應有0.4V左右的二極管正向電壓降(對于一些沒有內置二極管的型號,如GT40T101則沒有電壓降)。
    對于IGBT管,若G極不加電壓,就不形成導電溝道,C-E極電阻很大,因此,將數字萬用表置二極管檔時,測得C-E為不導通。
    E-C極二極管檔測量為續流二極管正向壓降0.3V。
1、IGBT的使用
(1)驅動保護電路的設計
    驅動電路的設計是決定IGBT能否充分發揮其性能的關鍵。
    保護電路是保證IGBT在過流和過壓等異常情況下避免受到損壞的重要措施,必須在充分了解器件特性的基礎上,配合器件的特性進行設計。
(2)作結溫散熱設計
    每個IGBT都有既定的最大容許結溫(Tj),在工作時需要控制IGBT的結溫不超過這個最大容許結溫。一般而言,IGBT需要散熱器才能工作,要根據器件的損耗進行散熱設計,保證結溫Tj不超過容許值。
    首先,需要計算出IGBT在電路中的損耗。IGBT工作時的損耗包括兩大部分:一個是IGBT內部晶體管的損耗,另外則是IGBT的反并聯二極管上的損耗。
    IGBT內部晶體管的損耗包括IGBT的導通損耗和開關損耗(開關損耗包括開通損耗和關斷損耗,軟開關電路中這兩個損耗可能為零)。二極管上的損耗則包括二極管的導通損耗和二極管的反向恢復損耗。把所有的損耗相加即可得到IGBT工作時的總損耗,選擇最大的總損耗進行熱設計,IGBT工作時的最大結溫可以由下面的熱方程得到

式中,P∑為IGBT最大損耗功率;Rthjc為IGBT結到外殼間的熱阻;Rthcs為外殼到散熱器間的熱阻;Rthsa為散熱器到周圍空間之間的熱阻;Ta為外界溫度。根據上述公式,確定結溫Tj在容許值范圍內選擇合適的散熱器。
(3)并聯連接
    當IGBT模塊用于控制大電流時,有時將器件并聯使用。器件并聯使用時,重要的是在設計時要使并聯連接的器件中通過等量的電流。一旦電流失去平衡,有可能由于電流集中流過某單個器件而使該器件損壞。
(4)保管和使用注意事項
    電力電子設備的保管存放場所,以溫度為5~35℃、相對濕度為45%~75%最為適宜。特別是IGBT和功率晶體管等,如果處于非常干燥的區域中,需要用加濕器加濕。再者,如果使用自來水,則由于自來水中所含的氯元素會使電力電子設備的導線生銹,因此需注意使用純凈水或蒸餾水。避開產生腐蝕性氣體和塵埃多的場所。
在溫度急劇變化的場所,電力電子設備的表面容易結露,因此要避開此類場所,將其保管在溫度變化小的地方。
臨時放置半導體電子設備時,應選擇不易產生靜電的容器。
(5)其他
    在模塊的端子部位測定驅動電壓( UCE),并確認已外加既定的電壓驅動電路端的電壓與實際作用在IGBT上的電壓,可能有偏差。
通過產品的端子部位測定開通、關斷時的脈沖電壓。
務必在產品的絕對最大額定值(電壓、電流、溫度等)范圍內使用。一旦超出絕對最大額定值,可能損壞器件。
IGBT應在功率周期壽命以內使用。
    反偏柵極電壓-UGE不足時,可能引起誤觸發,為了避免誤觸發,需設定足夠的-UGE值(推
薦-15V)。
    如果開通du/dt偏高,則對偏置支路的IGBT可能發生誤觸發。為了避免誤觸發,需在最適當的柵極觸發驅動(+UGE、-UGE., RG等)條件下使用。
2、IGBT的保護電路
    電力電子電路工作時,由于外部或操作失誤等原因,為了保證用電設備和用戶的安全,同時將由于非正常運行造成的損失降到最小,需要在電力電子電路中設計保護電路。
    IGBT常用的保護電路有兩種:過電流保護和過電壓保護。
2.1 過電流保護
    IGBT的過電流往往是由于電路中的短路引起的。當電路中發生短路時,IGBT集電極電流將急劇增加并超過額定值,集電極電流增加也引起IGBT集電極—發射極電壓UCE的上升,于是IGBT功率損耗增加。長時間運行于這種狀態,將使IGBT的結溫超過允許值而燒毀。
    發生短路的原因可能有很多種,下面以一個三相逆變電路為例,介紹常見的短路狀態:
(1)支路短路
    由于電路中IGBT或其反并聯二極管損壞造成短路,如圖28(a)所示。
(2)橋路直通短路
    由于控制電路、驅動電路故障或干擾引起的開關誤動作造成同一橋臂上下兩個IGBT同時導通,如圖28(b)所示。
(3)輸出短路
    由于裝配失誤或負載絕緣損壞造成短路,如圖28(c)所示。
(4)接地短路
    由于配線等人為失誤造成接地短路,如圖28(d)所示。
2.2 過電流保護方法
    為了實現過電流保護,需要進行過電流狀態檢測。對IGBT而言,常用的過電流檢測方法有兩種:

    電流傳感器檢測法與IGBT的飽和壓降檢測法。
(1)電流傳感器檢測法
    通過在電路中加入電流傳感器,通過檢測電路中的電流,判斷IGBT是否過電流。通過此方法可以對電路的各種短路狀態進行檢測和區分,從而根據不同的短路狀態采取不同的保護策略,減小由于電路異常所造成的損失。
    另外,如果過快地關斷IGBT中的過電流,將引起集電極與發射極之間發生過電壓,造成IGBT損壞。因此,在檢測出過電流以后,必須采取一定的策略關斷IGBT,使關斷過程落在反向偏置安全工作區(RBSOA)內,即采取所謂“柔性關斷”。
(2)IGBT的飽和壓降檢測法
    IGBT過電流時的飽和壓降UCE(sat)比正常工作時要高。
    圖29是采用間接電壓法的過流保護電路,它是應用IGBT過流時UCE值增大的原理來檢測IGBT的過流現象。M57959AL驅動器內部電路能很好地完成軟關斷功能。電路中含有過電流信息的UCE經快速恢復二極管VD2檢測,直接送至M57959AL的集電極電壓監測端子l,8腳輸出;通過U2光電耦合器,送到比較器U1A正相端與反相端的基準電壓比較后輸出,關斷驅動信號。如果發生過流現象,驅動器M57959AL的低速切斷電路慢速關斷IGBT,以避免集電極因過大的di/dt形成的過電壓尖峰脈沖損壞IGBT,同時也降低了干擾噪聲電平。
目前,大多數IGBT的專用驅動芯片內置了類似的保護電路。
2.3 過電壓保護
    這里所講述的過電壓保護特指IGBT關斷時的浪涌電壓抑制,不涉及具體電路中由于輸入、輸出或操作失誤等引起的過電壓而需要設計的保護電路。
因為IGBT的關斷速度很快,IGBT關斷或其反并聯二極管反向恢復時會產生很高的di/dt,由于IGBT內部引線或外部導線寄生電感的存在,引起很高的Ldi/dt電壓,即關斷浪涌電壓。當這個電壓超過IGBT的正向耐壓值時,將造成IGBT過電壓擊穿而損壞。

    常用的抑制IGBT關斷浪涌電壓的方法有以下幾種:
(1)在IGBT上安裝緩沖電路,在緩沖電路中使用可以吸收高頻浪涌電壓的薄膜電容器;
(2)調整IGBT驅動電路中的關斷偏置電壓-UCE和驅動柵極電阻RG,減小關斷時的di/dt;
(3)降低主電路和緩沖電路中的引線電感,盡量使用更粗、更短的導線;另外,使用平板配線(分層配線)方式也可以有效地降低引線電感。
IGBT的緩沖電路有兩種配置方法:一種是為每個IGBT單獨配置的緩沖電路;另一種是為多個IGBT安裝一個集中式的緩沖電路。
常用的單獨配置緩沖電路有RC緩沖電路、充放電型RC-VD緩沖電路和放電阻止型RC-VD緩沖電路。
RC緩沖電路如圖30所示。在IGBT的集電極和發射極之間并聯一個RC串聯支路,適用于斬波電路中。但是RC串聯支路在IGBT開通時將通過IGBT進行放電,使得IGBT開通時電流增加,額外增加了IGBT負載;另外,RC緩沖電路中,每次關斷以后存儲在電容上的電能都將以熱的形式消耗掉,它的損耗較大,不適合高頻應用。RC緩沖電路的損耗為

式中:Csunber,為緩沖電路電容;Ud為IGBT截止時所承受的正向壓降;fs為開關頻率。
式中:L為主電路寄生電感;Ic為IGBT關斷時的集電極電流;Cs為緩沖電容值;Ud為直流電壓; fs為開關頻率。
放電阻止型RC-VD緩沖電路結構如圖32所示。適合于對同一個橋臂兩個IGBT浪涌電壓的吸收。它能有效地消除IGBT關斷時的浪涌電壓,而且緩沖電路的損耗相對前面兩種緩沖電路要小,也適合于高頻應用場合。它的損耗可以由下面的公式計算得到

式中:L為主電路寄生電感;Ic為IGBT關斷時的集電極電流;fs為開關頻率。
集中式緩沖電路適合于多個IGBT同時使用的場合,如圖33所示。在該圖中,通過在一個全橋逆變器的兩個輸出端子上并聯一個RC電路,可縱對四個IGBT關斷時的電壓進行吸收。

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