1 IGBT主要用途 IGBT是先進的第三代功率模塊，工作頻率1-20KHZ，主要應(yīng)用在變頻器的主回路逆變器及一切逆變電路，即DC/AC變換中。例電動汽車、伺服控制器、UPS、開關(guān)電源、斬波電源、無軌電車等。問世迄今有十年多歷史，幾乎已替代一切其它功率器件，例SCR、GTO、GTR、MOSFET，雙極型達林頓管等,目今功率可高達1MW的低頻應(yīng)用中，單個元件電壓可達4.0KV（PT結(jié)構(gòu)）— 6.5KV（NPT結(jié)構(gòu)），電流可達1.5KA，是較為理想的功率模塊。 追其原因是第三代IGBT模塊，它是電壓型控制，輸入阻抗大，驅(qū)動功率小，控制電路簡單，開關(guān)損耗小，通斷速度快，工作頻率高，元件容量大等優(yōu)點。實質(zhì)是個復(fù)合功率器件，它集雙極型功率晶體管和功率MOSFET的優(yōu)點于一體化。又因先進的加工技術(shù)使它通態(tài)飽和電壓低，開關(guān)頻率高（可達20KHZ），這兩點非常顯著的特性，最近西門子公司又推出低飽和壓降（2.2V）的NPT—IGBT性能更佳，相繼東芝、富士、IR、摩托羅拉亦已在開發(fā)研制新品種。 IGBT發(fā)展趨向是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠、低成本為目標(biāo)的，特別是發(fā)展高壓變頻器的應(yīng)用，簡化其主電路，減少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，簡化調(diào)試工作等，都與IGBT有密切的內(nèi)在聯(lián)系，所以世界各大器件公司都在奮力研究、開發(fā)，予估近2-3年內(nèi)，會有突破性的進展。目今已有適用于高壓變頻器的有電壓型HV-IGBT，IGCT，電流型SGCT等。 2 關(guān)斷浪涌電壓 在關(guān)斷瞬時流過IGBT的電流，被切斷時而產(chǎn)生的瞬時電壓。它是因帶電動機感性負載（L）及電路中漏電感（Lp），其總值L＊p = L + Lp則Vp＊ = Vce + Vp而Vp = L＊p di/dt在極端情況下將產(chǎn)生Vp＊ Vces（額定電壓）導(dǎo)致器件的損壞發(fā)生，為此要采取盡可能減小電感（L），電路中的漏電感（Lp）—由器件制造結(jié)構(gòu)而定，例合理分布，縮短到線長度，適當(dāng)加寬減厚等。 3 恢復(fù)浪涌電壓 續(xù)流二極管是為當(dāng)IGBT下臂關(guān)斷，電感性電流就可在上臂續(xù)流管提供通路，（這時處正向?qū)ǎ鼘p小di/dt值，防止產(chǎn)生過電壓。但又當(dāng)下臂導(dǎo)通時，續(xù)流二極管反向恢復(fù)，變?yōu)樨撝刀P(guān)斷，電流將要下降為零值，因Lp存在要產(chǎn)生浪涌電壓，阻止電流的下降，尤其當(dāng)使用硬恢復(fù)二極管時，將產(chǎn)生較高的反向恢復(fù)di/dt值，可導(dǎo)致很高的瞬時電壓出現(xiàn)。 4 緩沖電路形式 用以控制關(guān)斷浪涌電壓和恢復(fù)浪涌電壓，以減少模塊的開關(guān)損耗及瞬時過電壓值而采用的。雖然IGBT具有強大的開關(guān)安全工作區(qū)，但需控制瞬時電壓值，而緩沖電路在每次開關(guān)循環(huán)中都可通過IGBT放電，故有一定功耗產(chǎn)生，但能確保使用的安全。 [align=center] 圖1 通用IGBT緩沖電路[/align] 圖1-A僅有一個低電感量的電容器組成，對小功率一單元模塊，可接在C和E之間，對六合一封裝模塊可接P 和N 之間，對減小瞬變電壓有效、簡單、成本低、適用小功率器件。 圖1-B使用快速二極管，它可箝住瞬變電壓，從而抑制與母線寄生電感，作減幅振蕩。RC為時間常數(shù)，設(shè)為開關(guān)周期1/3（即τ= T/3 = 1/3fz），適用中功率器件。 圖1-C類似B圖，但具有更小的回路電感，它直接于每個IGBT的C極和E極，并使用一個小型RCD（阻容二極管）效果較好，能抑制緩沖電路的寄生振蕩，適用大功率器件具體推薦值見表1。 5 減小功率電路的電感 浪涌電壓的能量與1/2LpI 成正比，因此減小Lp是主要的，可選用多層正負交叉，寬偏形迭層母線，包括IGBT間聯(lián)接，與大電容器的聯(lián)接等，例大功率變頻器的母排等，都采用上述方法，例羅克韋爾A-B公司等變頻器就是這樣的方法來減小功率電路的電感。 6 接地回路形式 當(dāng)柵極G驅(qū)動或控制信號與主電流共用一個電流路徑時，會導(dǎo)致接地回路，這可能出現(xiàn)本應(yīng)地電位，而實際有幾伏的電位值，使本來偏置截止的器件，就可能發(fā)生導(dǎo)通，而造成誤動作。因此在大功率IGBT應(yīng)用中，或di/dt很高時，就難發(fā)生上述現(xiàn)象的發(fā)生，故對不用容量的器件，有下述三種電路見圖2。 [align=center] 圖2 避免接地回路噪聲[/align] 圖2-A存在共地回路電位問題的，它的柵極電路地線與主電路（一）母線相通，適用于＜100A六合一封裝器件，但仍要高反偏置電壓5-15V。 圖2-B對下半臂器件選用獨立柵極電源供電，采用輔助發(fā)射極和就近驅(qū)動電源介耦電容的方法，能使接地回路噪聲得到最好抑制，適用200A以下模塊。 圖2-C對下半臂每一個柵極驅(qū)動電路，都采用了分離絕緣電源，以消除接地回路的噪音問題，效果更好，適用≥300A的模塊。 7 IGBT的損耗 是指IGBT在開通或關(guān)斷過渡過程期間的功率損耗。當(dāng)PWM信號頻率＞5KHZ時開關(guān)損耗會非常顯著，因此在變頻器使用時，必須正確的選擇載波頻率值的大小，是件重要的問題。具體如何選值，請參見2001年七期“變頻器世界”期刊。此文由張選正撰寫的，題目“變頻器載波頻率值正確選擇的依據(jù)”一文。 總之載波頻率的大小與器件的開關(guān)損耗，器件的發(fā)熱，電流的波形，干擾的大小，電動機噪音和振動等有關(guān)的，因此不等功率的電動機和現(xiàn)場條件來正確選擇載波頻率值大小，亦是屬變頻器調(diào)試中一個主要環(huán)節(jié)。 8 關(guān)于結(jié)溫的大小 IGBT模塊的芯片最大額定結(jié)溫是150℃，在任何工作條件下，都不允許超過，否則要發(fā)生熱擊穿而造成損壞，一般要留余地，在最惡劣條件下，結(jié)溫限定在125℃以下，但芯片內(nèi)結(jié)溫監(jiān)測有難度，所以變頻器的IGBT模塊，都在散熱器表面裝有溫控開關(guān)，其值在80-85℃之間，當(dāng)達到此溫度時，即因過熱保護動作，從而自動停機，以確保IGBT的安全。亦有用熱敏電阻。 9 散熱器的安裝 IGBT模塊直接固定在散熱器上，螺釘一定要受力均勻。散熱器表面要平整清潔，要求平面度≤150μm，最好用力矩把手表面光潔度≤6μm，在界面要涂傳熱導(dǎo)電膏，涂層要均勻，厚度約150μm。 10 參數(shù)的合理選擇 參數(shù)的選擇一條原則是適當(dāng)留有余地，這樣才能確保長期、可靠、安全地運行。工作電壓≤50%-60%，結(jié)溫≤70-80%在這條件下器件是最安全的。制約因素A、在關(guān)斷或過載條件下，IC要處于安全工作區(qū)，即小于2倍的額定電流值；B、IGBT峰值電流是根據(jù)200%的過載和120%的電流脈動率下來制定的；C、結(jié)溫一定<150℃以下，指在任何情況下，包括過載時。具體選用時可查表2。 A、開通電壓15V±10%的正柵極電壓，可產(chǎn)生完全飽和，而且開關(guān)損耗最小，當(dāng)<12V時通態(tài)損耗加大，>20V時難以實現(xiàn)過流及短路保護。 B、關(guān)斷偏壓-5到-15V目的是出現(xiàn)噪聲仍可有效關(guān)斷，并可減小關(guān)斷損耗最佳值約為-10V。 C、IGBT不適用線性工作，只有極快開關(guān)工作時柵極才可加較低3—11V電壓。 D、飽和壓降直接關(guān)系到通態(tài)損耗及結(jié)溫大小，希望越小越好，但價格就要大。飽和壓降從1.7V—4.05V以每0.25—0.3V為一個等級，從C→M十個級。 11 柵極電阻Rg [align=center] 圖3 典型的IGBT柵極驅(qū)動電路[/align] 它是串接在柵極電路中可見圖3。目的是改善控制脈沖前沿，后沿的陡度和防止振蕩，減小IGBT集電極電壓的尖脈沖值。又因IGBT的開通或關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實現(xiàn)的，所以Rg的值對動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響，具體如下述： 在直流母線電壓較高的情況下，也許有必要對這些大電流雙單元模塊采用圖IC所示的緩沖電路。在這種情況下，可選用對單元模給出的推薦組合。 [align=center] 表2 適合AC460/480V線電壓應(yīng)用的IGBT模塊[/align] [align=center] 表3 交流400v馬達額定值OC保護設(shè)置之要求[/align] [align=center] 表4 采用的柵極的串聯(lián)電阻[/align] A、 Rg值小——充放電較快，能減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗，增強工作的耐固性，避免帶來因dv/dt的誤導(dǎo)通。不足的是承受噪聲能力小，易產(chǎn)生寄生振蕩，使開通時di/dt變大，增加逐流二極管（FWD） 恢復(fù)時的浪涌電壓，具體值可參見表4。 B、 Rg值大——性能與上述相反。 柵極驅(qū)動的布線對防止?jié)撛谡袷帲瑴p慢柵極電壓上升，減小噪音損耗，降低柵極電壓或減小柵極保護電路的效率有較大的影響。要注意事項如下： A、 將驅(qū)動器的輸出級和IGBT之間的寄生電感減至最低。 B、 驅(qū)動板和屏蔽柵極驅(qū)動電路要正確放置，以防功率電路和控制電路之間的電感耦合。 C、 采用輔助發(fā)射極端子連接?xùn)艠O驅(qū)動電路。 D、 當(dāng)驅(qū)動PCB板和IGBT控制端子不可能作直接連接時，建議用雙股絞線（2轉(zhuǎn)/CM小于3CM長）或帶狀線，同軸線。 E、 柵極箝位保護電路，必須按低電感布線，并盡量放置于IGBT模塊的柵極， 發(fā)射極控制端子附近。 F、 由于IGBT的開關(guān)會使用相互電位改變，PCB板的線條之間彼此不宜太近， 過高的dv/dt會由寄生電容產(chǎn)生耦合噪聲。若布線無法避免交叉或平衡時，必須采用屏蔽層，加以保護。 G、 要減少各器件之間的寄生電容，避免產(chǎn)生耦合噪聲。 H、 用光耦器來作隔離柵極驅(qū)動信號，其最小共模抑制比要在10.000V/μS，柵極回路除上述外而防止柵極電路出現(xiàn)高壓尖峰，一般在G、E極間并一個電阻Rge，再并二只反串的穩(wěn)壓二極管，以使工作更可靠、安全、有效。 Rge值在1000-5000歐之間，見圖4。 12 dv/dt及短路保護 在IGBT關(guān)斷時，柵極要加反向偏置，由于柵極的阻抗很大，該電流令Vge增加，惡劣條件下可達閾值電壓時，則IGBT將開通，導(dǎo)致上下臂同時開通使橋臂每一相短路，為防止這現(xiàn)象的發(fā)生要注意以下幾點： A、 在斷態(tài)時要加足夠的負柵極電壓值至少-5V。 B、 在關(guān)斷時Rg為較低值（可見表4）。 C、 柵極電路的電感Lg應(yīng)降至最低。 當(dāng)短路情況出現(xiàn)時，IGBT要繼續(xù)維持在短路安全工作區(qū)內(nèi)，其方法有： A、電流傳感器 B、欠飽和式但必須能測出短路到關(guān)斷IGBT時間在10μs之內(nèi)，常用有三種方法： A、 控制關(guān)斷—減少柵極電壓（有分段或斜坡減少）增加溝道內(nèi)阻。 B、 Vge箝位—Vge在18V以下，對小功率器件，可在G極與E極之間用齊納二極管箝位。 C、 減少tw—縮短短路持續(xù)時間，但將使關(guān)斷電流增大。 13 使用注意事項 A、 柵極與任何導(dǎo)電區(qū)要絕緣，以免產(chǎn)生靜電而擊穿，所以包裝時將G極和E極之間要有導(dǎo)電泡沫塑料，將它短接。裝配時切不可用手指直接接觸，直到G極管腳進行永久性連接。 B、 主電路用螺絲擰緊，控制極G要用插件，盡可能不用焊接方式。 C、 裝卸時應(yīng)采用接地工作臺，接地地面，接地腕帶等防靜電措施。 D、 儀器測量時，將100Ω電阻與G極串聯(lián)。 E、 要在無電源時進行安裝。 F、 焊接G極時，電烙鐵要停電并接地，選用定溫電烙鐵最合適。當(dāng)手工焊接時，溫度260℃±5℃，時間（10±1）秒，松香焊劑。波峰焊接時，PCB板要預(yù)熱80℃—105℃，在245℃時浸入焊接3-4秒，松香焊劑。 14 IGBT的串并聯(lián) A、 并聯(lián)目的是增大使用的工作電流，但器件要匹配，每塊Vce之差 < 0.3V，還要降流使用，對600V的降10%Ic，1200-1400V的降15%Ic，1700V的降20%Ic，這組值指≥200A的模塊，并要取飽和壓降相等或接近的模塊才行。柵控電路要分開，除靜態(tài)均流外，還有動態(tài)均流問題，并使溫度相接近，以免影響電流的均衡分配，因IGBT是負阻特性的器件。 B、 串聯(lián)的目的是增高使用的工作電壓，其要求比并聯(lián)更高，主要是靜態(tài)均壓及動態(tài)均壓問題，尤其是動態(tài)均壓有一定難度。成都佳靈公司提出的容性母板技術(shù)（1+N）只串聯(lián)動態(tài)電壓箝位均壓方式已處于工業(yè)實驗階段。若動態(tài)均壓不佳，要造成串聯(lián)臂各器件上的Vce電壓不等，造成一個過壓影響同一臂一串電擊穿。 C、 總之IGBT的串并聯(lián)應(yīng)盡量避免，不要以低壓小電流器件，通過串并聯(lián)企圖解決高電壓大電流，這樣做法往往失得其反，而器件增多可靠性更差，電路亦復(fù)雜化等，在不得而已的條件下，要慎重。目今單個IGBT的電壓或電流基本能滿足用戶的需要，隨著時代發(fā)展電路的改進，將會有更高電壓，更大電流的功率器件問世，這是必然的。 15 智能IPM模塊 智能IPM模塊問世已有十年之久，目今有110KW的模塊，可供變頻器選用。它是先進的混合集成功率器件，將IGBT、驅(qū)動電路、保護電路集成化，因此具有高速、高效、低耗、和優(yōu)化門極驅(qū)動及保護電路，欠壓鎖定，用電流傳感功能芯片，對過流和短路保護，更為優(yōu)越的，整體的可靠性大為提高。IPM有四種電路形式：單管封裝（H），雙管封裝（D），六合一封裝（C），七合一封裝（R）。由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，可使散熱器減小，因而整機尺寸亦可減小，又有自保護能力，減低了在開發(fā)和使用中過載情況下?lián)p壞的機率，國內(nèi)外55KW以下的變頻器多數(shù)采用IPM模塊，亦是理所當(dāng)然的。結(jié)溫還是125℃，柵控13.5-16.5V之間，就可安全地工作。IPM有：短路保護（SC），過流保護（OC），欠壓保護（UV），過熱保護（OT），過壓保護（OV）等較完全的。有表3可供選用參考。 16 變頻專用功率集成模塊PIM 最近5年內(nèi)問世的，專供變頻器主電路使用的綜合集成功率器件。例德國慕尼黑TYCO公司生產(chǎn)的2.5-66A 1200V系列，4-75A 600V系列，它包含了單相/三相輸入整流橋+制動單元（或PFC功率因數(shù)單元）+六單元IGBT+NTC溫度監(jiān)測。但不包括驅(qū)動電路。有的專業(yè)廠例富士等將整流、制動、IGBT、保護、驅(qū)動、控制全部一體化集成模塊，那樣使用更方便、安全、可靠。其特點是： A、集成全部器件及電路；B、體積小，功率大，損耗低，較穩(wěn)定；C、優(yōu)化內(nèi)部布線，減少寄生噪音；D有完全的自保護電路，具有快速、靈敏；E、唯一不足的是當(dāng)其中有一個器件壞時，將造成整體的報損，它不同于分離方式模塊，只局限于損壞的更換就可。 17 對IGBT的Vge與Vce的加壓次序 眾所周知變頻器內(nèi)部的測量電路、保護電路、驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)換電路、隔離電路、CPU、柵極電路等，所用的電子器件，例TTL、COMS、運放、光耦等都由開關(guān)電源提供所需的不同電壓值，對IGBT來講Vge是由開關(guān)電源提供±5-15V電壓，但Vce是由主電路經(jīng)三相整流橋濾波后的DC電源（P N ）提供的，為確保IGBT的使用安全及誤導(dǎo)通，故對Vge與Vce加電壓次序有要求。必須是先加Vge且待穩(wěn)定后（截止偏壓-15V，導(dǎo)通偏壓+15V），再可加Vce。切莫當(dāng)G極懸空或未穩(wěn)定時就加Vce（幾百一千伏），因為Cgc極間的耦合電容就可將IGBT誤導(dǎo)通，以致過高的dv/dt造成電擊穿而損壞。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生一般用延時電路方法，使Vce延時Vge約0.2秒，這樣大大的提高了使用上安全性、可靠性，尤其是中、大功率的器件更應(yīng)注意的。 18 結(jié) 論 IGBT的使用綜合性能是非常優(yōu)越的，決非其它功率器件所能替代的，因此成為當(dāng)今逆變電路DC/AC中主要器件，亦是理應(yīng)所在的。它的弱點是過壓、過熱、抗沖擊、抗干擾等承受力較低，因此在使用時必須正確選擇器件的容量，要有完全嚴(yán)格的保護電路，按產(chǎn)品技術(shù)性能規(guī)定來正確選定各種參數(shù)值和保護值，是件非常重要的事，切莫粗枝大葉，否則后患無窮，造成經(jīng)濟損失。只要精心設(shè)計，規(guī)范運行，是能確保使用中安全性和可靠性，這亦是無疑的。 主要參考資料： [1] 日本三菱、富士、日立、東芝、NEC的IGBT應(yīng)用手冊。 [2] 德國西門子、西門康IGBT應(yīng)用手冊。 [3] 德國慕尼黑TYCO公司產(chǎn)品介紹。 [4] 調(diào)速用變頻器及配套設(shè)備選用指南。 [5] 實用電源技術(shù)手冊—電源元器件手冊。 [6] 變頻器世界有關(guān)器件IGBT專題文章。 [7] 變頻器世界2001年第七期張選正文章“變頻器載波頻率值正確選擇的依據(jù)”。 [8] 佳靈GY系列高壓變頻器產(chǎn)品使用手冊。