功率器件IGBT應(yīng)用中的常見問題解決方法

4 常用的解決方法

對(duì)于以上問題，一般采取的實(shí)用性措施有：選用有效的過流保護(hù)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(hù)驅(qū)動(dòng)電路

在IGBT的應(yīng)用中，關(guān)鍵是過流保護(hù)。IGBT能承受的過流時(shí)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(duì)過流保護(hù)的要求就更高了。IGBT的過電流保護(hù)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(hù);

另一種是高倍數(shù)（8~10倍）的短路電流保護(hù)。對(duì)于過載保護(hù)可采用瞬時(shí)封鎖門極脈沖的方法來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。對(duì)于短路電流保護(hù)，加瞬時(shí)封鎖門極脈沖會(huì)因短路電流下降的di/dt太大，極易在回路雜散電感上感應(yīng)出很高的集電極電壓過沖擊穿IGBT，使保護(hù)失效［8］。

因此對(duì)IGBT而言，可靠的短路電流保護(hù)應(yīng)具備下列特點(diǎn)：

　?。?） 首先應(yīng)軟降柵壓，以限制短路電流峰值，延長(zhǎng)允許短路時(shí)間，為保護(hù)動(dòng)作贏得時(shí)間;

　?。?） 保護(hù)切斷短路電流應(yīng)實(shí)施軟關(guān)斷

IGBT驅(qū)動(dòng)器exb841、m57962和hl402b均能滿足以上要求。但這些驅(qū)動(dòng)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(huì)造成每周 期軟關(guān)斷保護(hù)一次的情況，這樣產(chǎn)生的熱積累仍會(huì)造成IGBT的損壞。為此可利用驅(qū)動(dòng)器的故障檢測(cè)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(shí)自動(dòng)恢復(fù)至正常工作頻率［9］。

如圖6所示，IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊m57962l上自帶保護(hù)功能，檢測(cè)電路 檢測(cè)到檢測(cè)輸入端1腳為15v高電平時(shí)，判定為電流故障，立即啟動(dòng)門關(guān)斷電路，將輸出端5腳置低電平，使IGBT截止，同時(shí)輸出誤差信號(hào)使故障輸出端8腳 為低電平，以驅(qū)動(dòng)外接保護(hù)電路工作，延時(shí)8~10μs封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣能很好地實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。經(jīng)1~2ms延時(shí)后，如果檢測(cè)出輸入端為高電平，則 m57962l復(fù)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(duì)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(duì)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(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)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(shí)間是作為MOSFET來運(yùn)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(shí) 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(chǔ)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(shí)間。顯然，開通關(guān)斷時(shí)間的延遲會(huì)增加開關(guān)損耗，并且，每開通關(guān)斷一次損耗就會(huì)累加，如果開關(guān)頻率很高，損耗就會(huì)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(huì)加重IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)的危險(xiǎn)，而且，會(huì)延長(zhǎng)集電極電流的下降時(shí)間和集射電壓的上升時(shí)間，引起關(guān) 斷損耗的增加。顯然，這是一個(gè)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(fēng)扇以增強(qiáng) 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(yīng)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(fù)載r與lc電路組成的負(fù)載諧振型變換器，其諧振元件在整個(gè)開關(guān)周期中一直工作，這種變換器的工作狀態(tài)與負(fù)載的關(guān)系很大，對(duì)負(fù)載的變化很敏感。

（2） 準(zhǔn)諧振型變換器qrcs

如圖7所示（a）（b）分別為零電壓準(zhǔn)諧振電路和零電流準(zhǔn)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(gè)輔助lc諧振回路，如圖8所示，工作時(shí)啟動(dòng)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(duì)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(gè)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(shí)才啟動(dòng)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(yùn)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(fù)載電流，這樣電源供給負(fù)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(dǎo)通損耗;

此外，lr的儲(chǔ)能極大的依賴輸入電壓和負(fù)載電流，電路很難在很寬的輸入電壓變化范圍和負(fù)載電流大范圍變化時(shí)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(shí)，lr中不流過負(fù)載電流，僅在“開通”與“關(guān)斷”時(shí)啟動(dòng)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(shí)輔助電路的工作不會(huì)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(fù)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(jiǎn)單，效率高是他們的主要特點(diǎn)。

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(cè)手段、控制策略等，輔助開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路要與主開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路隔離，且對(duì)輔助電路提出了更快的開關(guān)時(shí)間要 求。電路與控制的復(fù)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(yīng)用受到很大的限制。如果軟開關(guān)技術(shù)采用新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可使用與主開關(guān)驅(qū) 動(dòng)信號(hào)有簡(jiǎn)單邏輯關(guān)系的信號(hào)控制輔助開關(guān)，甚至由電路進(jìn)行自驅(qū)動(dòng)，那么控制、檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)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(dá)到抑制電力電子器件的關(guān)斷時(shí)過電壓、開通時(shí)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(chǔ)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?chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)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(jià)，而無損吸收技術(shù)能夠?qū)?chǔ)能元件中的能量回饋至電源、負(fù)載或大幅削減其數(shù)值，大大增加吸收強(qiáng)度，達(dá)到軟開關(guān)目的［4］。

實(shí)現(xiàn)橋臂無損吸收見諸文獻(xiàn)的大約有如圖11所示幾種。圖11（a）（e）［12］電路從理論上實(shí)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(diǎn);

圖11（c）（d）［11］實(shí)際上是用于橋式dc-dc變換器的結(jié)構(gòu)， 這一拓?fù)渲须姼袉渭冇米饕种莆针娙莩浞烹婋娏?，圖11 幾種無源無損耗吸收電路對(duì)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(luò)實(shí)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(fù)載依賴性大， 工作適應(yīng)范圍小，設(shè)計(jì)、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(yīng)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(biāo)上以 及性價(jià)比方面占優(yōu)。但也存在一些缺點(diǎn)：具有較強(qiáng)負(fù)載依賴性;使用變壓器時(shí)，負(fù)邊二極管耐壓值過高; 吸收網(wǎng)絡(luò)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(duì)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(shí)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(hù)的驅(qū)動(dòng)電路是IGBT開關(guān)逆變器正常工作的前提，目前國(guó)內(nèi)外常用的IGBT驅(qū)動(dòng)電路模塊都帶有過流保護(hù)功能，對(duì)短路電流能夠正確的判斷并采取相應(yīng)措施，對(duì)開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)可靠的保護(hù)。

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(yīng)的危險(xiǎn)，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(shí)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(huì)作相應(yīng)的變化（振蕩），增加通態(tài)損耗，由于導(dǎo)通壓降不是很大， 損耗不會(huì)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(chǔ)在儲(chǔ)能元件里，等開關(guān)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，再想辦法把儲(chǔ)存的能量反饋到電源和負(fù)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(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)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(xiàng)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(jì)、可靠的運(yùn)行。