IGBT應用中常見問題及解決方法

1 引言　　

綜合了gtr和mosfet優點的igbt，是一種新型的80年代問世的絕緣柵雙極性晶體管，它控制方便、工作頻率高、開關速度快、安全工作區大。隨著電壓、電流等級的不斷提高，igbt成為了大功率開關電源、變頻調速和有源濾波器等裝置的理想功率開關器件，在電力電子裝置中得到非常廣泛的應用。　　

隨著現代電力電子技術的高頻大功率化的發展，開關器件在應用中潛在的問題越來越凸出，開關過程引起的電壓、電流過沖，影響到了逆變器的工作效率和工作可靠性。為解決上述問題，積極采用了過電流保護、散熱及減少線路電感等措施，緩沖電路和軟開關技術也得到了廣泛的研究，取得了迅速的進展。本文就針對這方面進行了綜述。

2 igbt的應用領域　　

2.1 在變頻調速器中的應用

spwm變頻調速系統的原理框圖如圖1所示。主回路為以igbt為開關元件的電壓源型spwm逆變器的標準拓撲電路，電容由一個整流電路進行充電，控制回路產生的spwm信號經驅動電路對逆變器的輸出波形進行控制;變頻器向異步電動機輸出相應頻率、幅值和相序的三相交流電壓，使之按一定的轉速和旋轉方向運轉。

2.2 在開關電源中的應用　　

圖2為典型的ups系統框圖。它的基本結構是一套將交流電變為直流電的整流器和充電器以及把直流電再變為交流電的逆變器。蓄電池在交流電正常供電時貯存能量且維持正常的充電電壓，處于“浮充”狀態。一旦供電超出正常的范圍或中斷時，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制（spwm）法。　　

2.3 在有源濾波器中的應用

2.2 在開關電源中的應用　　

圖2為典型的ups系統框圖。它的基本結構是一套將交流電變為直流電的整流器和充電器以及把直流電再變為交流電的逆變器。蓄電池在交流電正常供電時貯存能量且維持正常的充電電壓，處于“浮充”狀態。一旦供電超出正常的范圍或中斷時，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制（spwm）法。　　

2.3 在有源濾波器中的應用

并聯型有源濾波系統的原理圖如圖3所示。主電路是以igbt為開關元件的逆變器，它向系統注入反向的諧波值，理論上可以完全濾除系統中存在的諧波。與變頻調速器不同的是，有源濾波器pwm控制信號的調制波是需要補償的各次諧波的合成波形，為了能精確的反映出調制波的各次諧波成分，必須大大提高載波的頻率。這對開關器件的開關頻率也提出了更高的要求。

3 igbt應用中的常見問題分析　　

顯然，igbt是作為逆變器的開關元件應用到各個系統中的，常用的控制方法是pwm法。理論上和事實上都已經證明，如果把pwm逆變器的開關頻率提高到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，高頻化是逆變技術發展方向。但是通常的pwm逆變器中，開關器件在高電壓下導通，在大電流下關斷，處于強迫開關過程，在高開關頻率下運行時將受到如下一系列因素的限制：　　

（1） 產生擎住效應或動態擎住效應

igbt為四層結構，使體內存在一個寄生晶閘管，等效電路如圖4所示。在npn管的基極與發射極之間存在一個體區短路電rs，p型體區的橫向空穴流會產生一定的壓降，對j3來說相當于一個正偏置電壓。在規定的范圍內，這個正偏置電壓不大，npn管不會導通。當ic大于一定程度時，該正偏置電壓足以使npn管開通，進而使npn和pnp管處于飽和狀態，于是寄生晶閘管開通，柵極失去控制作用，即擎住效應，它使ic增大，造成過高的功耗，甚至導致器件損壞。溫度升高會使得igbt發生擎住的icm嚴重下降。　　

在igbt關斷的動態過程中，如果dvce/dt越高，則在j2結中引起的位移電流cj2dvce/dt越大，當該電流流過體區短路電阻rs時，可產生足以使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，形成動態擎住效應。溫度升高會加重igbt發生動態擎住效應的危險。　　

（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時的電壓過沖

以線路電感lб≠0時電路進行分析，如圖5所示，關斷過程中，感性負載電流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導通，voe=0，由于it隨時間線性減小，電感lб兩端感應電壓vl=vbc=lбdit/dt應為負值，vcb為正值， 即c點電位高于b點電位。　

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，開關兩端電壓　　

vt=vcem=vd-vl=vd+lбi0/tfi　　

因此， 在關斷過程一開始，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的數值取決于lб、tfi和負載電流i0，顯然過快的電流下降率di/dt（即tfi小）、過大的雜散電感lб或負載電流過大都會引起關斷時元件嚴重過電壓， 且伴隨著很大的功耗。　　

可見，盡管igbt的快速開通和關斷有利于縮短開關時間和減小開關損耗，但過快的開通和關斷，在大電感負載下，反而是有害的，開通時，存在續流二極管反向恢復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，導致igbt或者續流二極管損壞。關斷時，大電感負載隨igbt的超速開通和關斷，將在電路中產生高頻、幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓ldi/dt，常規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陡然上升產生過沖現象，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） 在開通和關斷瞬間開關器件的狀態運行軌跡超出反向安全工作區（rbsoa）;　　

反向安全工作區（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關斷時的在加dvce/dt而改變，dvce/dt越高，rbsoa越窄，因此在開通和關斷瞬間產生的高dvce/dt將會使開關器件的狀態運行軌跡更容易超出rbsoa，影響開關可靠性。　　

（4） 二極管反向恢復時的dv/dt和igbt關斷時的浪涌電壓會在開關時產生過流。　　

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，使柵極電壓瞬時升高，因為柵極負偏壓和輸入電容cge的存在，這時柵極電壓所達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截止的管子導通，因此上下橋臂直通而過電流。　　

如果由此引起的門極電壓足以使管子進入飽和，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多次出現，實驗證明這一現象確實存在。

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