IGBT的用途及参数和接线.docx
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IGBT的用途及参数和接线
IGBT的用途及参数和接线
IGBT
IGBT主要用途IGBT是先进的第三代功率模块,工作频率1-20KHZ,主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路,即DC/AC变换中。
例电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。
问世迄今有十年多历史,几乎已替代一切其它功率器件,
例SCR、GTO、GTR、MOSFET,双极型达林顿管等,目今功率可高达1MW的低频应用中,单个元件电压可达4.0KV(PT结构)—6.5KV(NPT结构),电流可达1.5KA,是较为理想的功率模块。
追其原因是第三代IGBT模块,它是电压型控制,输入阻抗大,驱动功
率小,控制电路简单,开关损耗小,通断速度快,工作频率高,元件容量大等优点。
实质是
个复合功率器件,它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体化。
又因先进的加
工技术使它通态饱和电压低,开关频率高(可达20KHZ),这两点非常显著的特性,最近西
门子公司又推出低饱和压降(2.2V)的NPT—IGBT性能更佳,相继东芝、富士、IR、摩托罗拉亦已在开发研制新品种。
IGBT发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高
可靠、低成本为目标的,特别是发展高压变频器的应用,简化其主电路,减少使用器件,提
高可靠性,降低制造成本,简化调试工作等,都与IGBT有密切的内在联系,所以世界各大
器件公司都在奋力研究、开发,予估近2-3年内,会有突破性的进展。
目今已有适用于高压
变频器的有电压型HV-IGBT,IGCT,电流型SGCT等。
关断浪涌电压在关断瞬时流过IGBT的电流,被切断时而产生的瞬时电压。
它是因带电
动机感性负载(L)及电路中漏电感(Lp),其总值L*p=L+Lp则Vp*=Vce+Vp而Vp=L*pdi/dt在极端情况下将产生Vp*Vces(额定电压)导致器件的损坏发生,为此要采
取尽可能减小电感(L),电路中的漏电感(Lp)—由器件制造结构而定,例合理分布,
缩短到线长度,适当加宽减厚等。
恢复浪涌电压续流二极管是为当IGBT下臂关断,电感性电流就可在上臂续流管提供通
路,(这时处正向导通),它将减小di/dt值,防止产生过电压。
但又当下臂导通时,续流二
极管反向恢复,变为负值而关断,电流将要下降为零值,因Lp存在要产生浪涌电压,阻止
电流的下降,尤其当使用硬恢复二极管时,将产生较高的反向恢复di/dt值,可导致很高的瞬时电压出现。
缓冲电路形式用以控制关断浪涌电压和恢复浪涌电压,以减少模块的开关损耗及瞬时
过电压值而采用的。
虽然IGBT具有强大的开关安全工作区,但需控制瞬时电压值,而缓冲
电路在每次开关循环中都可通过IGBT放电,故有一定功耗产生,但能确保使用的安全。
图1-A仅有一个低电感量的电容器组成,对小功率一单元模块,可接在C和E之间,对****一封装模块可接P和N之间,对减小瞬变电压有效、简单、成本低、适用小功率器件。
图
1-B使用快速二极管,它可箝住瞬变电压,从而抑制与母线寄生电感,作减幅振荡。
RC为时间常数,设为开关周期1/3(即τ=T/3=1/3fz),适用中功率器件。
图1-C类似B图,但具有更小的回路电感,它直接于每个IGBT的C极和E极,并使用一个小型RCD(阻容二极管)效果较好,能抑制缓冲电路的寄生振荡,适用大功率器件具体推荐值见表1。
减小功率电路的电感浪涌电压的能量与1/2LpI成正比,因此减小Lp是主要的,可选用多层正负交叉,宽偏形迭层母线,包括IGBT间联接,与大电容器的联接等,例大功率变
频器的母排等,都采用上述方法,例罗克韦尔A-B公司等变频器就是这样的方法来减小功
率电路的电感。
接地回路形式当栅极G驱动或控制信号与主电流共用一个电流路径时,会导致接地回
路,这可能出现本应地电位,而实际有几伏的电位值,使本来偏置截止的器件,就可能发生
导通,而造成误动作。
因此在大功率IGBT应用中,或di/dt很高时,就难发生上述现象的
发生,故对不用容量的器件,有下述三种电路见图2。
图2-A存在共地回路电位问题的,
它的栅极电路地线与主电路
(一)母线相通,适用于<100A****一封装器件,但仍要高反
偏置电压5-15V。
图2-B对下半臂器件选用独立栅极电源供电,采用辅助发射极和就近驱动
电源介耦电容的方法,能使接地回路噪声得到最好抑制,适用200A以下模块。
图2-C对下半臂每一个栅极驱动电路,都采用了分离绝缘电源,以消除接地回路的噪音问题,效果更好,
适用≥300A的模块。
IGBT的损耗是指IGBT在开通或关断过渡过程期间的功率损耗。
当PWM信号频率>5KHZ时开关损耗会非常显著,因此在变频器使用时,必须正确的选择载波频率值的大小,
是件重要的问题。
具体如何选值,请参见2001年七期“变频器世界”期刊。
此文由张选正撰写的,题目“变频器载波频率值正确选择的依据”一文。
总之载波频率的大小与器件的开关损耗,器件的发热,电流的波形,干扰的大小,电动机噪
音和振动等有关的,因此不等功率的电动机和现场条件来正确选择载波频率值大小,亦是属
变频器调试中一个主要环节。
关于结温的大小IGBT模块的芯片最大额定结温是150?
,在任何工作条件下,都不允
许超过,否则要发生热击穿而造成损坏,一般要留余地,在最恶劣条件下,结温限定在125?
以下,但芯片内结温监测有难度,所以变频器的IGBT模块,都在散热器表面装有温控开关,
其值在80-85?
之间,当达到此温度时,即因过热保护动作,从而自动停机,以确保IGBT的安全。
亦有用热敏电阻。
散热器的安装IGBT模块直接固定在散热器上,螺钉一定要受力均匀,先要予紧次序
是图3?
→?
→?
→?
,最终拧紧次序是?
→?
→?
→?
可见图3。
散热器表面要平整清洁,要求平面度≤150μm,最好用力矩把手(具体值可参见应用手
册),表面光洁度≤6μm,在界面要涂传热导电膏,涂层要均匀,厚度约150μm。
关于不同功率的模块散热器面积的计算,请参阅有关的设计资料。
参数的合理选择参数的选择一条原则是适当留有余地,这样才能确保长期、可靠、安
全地运行。
工作电压≤50%-60%,结温≤70-80%在这条件下器件是最安全的。
制约因素
A、在关断或过载条件下,IC要处于安全工作区,即小于2倍的额定电流值;B、IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的;C、结温一定<150?
以下,指在任何情况下,包括过载时。
具体选用时可查表2。
A、开通电压15V±10%的正栅极电压,可产生完全饱和,而且开关损耗最小,当<12V时通态损耗加大,>20V时难以实现过流及短路保护。
B、关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断,并可减
小关断损耗最佳值约为-10V。
C、IGBT不适用线性工作,只有极快开关工作时栅极才可加
较低3—11V电压。
D、饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小,希望越小越好,
但价格就要大。
饱和压降从1.7V—4.05V以每0.25—0.3V为一个等级,从C→M十个级。
栅极电阻Rg它是串接在栅极电路中可见图4。
目的是改善控制脉冲前沿,后沿的陡度
和防止振荡,减小IGBT集电极电压的尖脉冲值。
又因IGBT的开通或关断是通过栅极电路
的充放电来实现的,所以Rg的值对动态特性产生极大的影响,具体如下述:
A、Rg值小——充放电较快,能减小开关时间和开关损耗,增强工作的耐固性,避免
带来因dv/dt的误导通。
不足的是承受噪声能力小,易产生寄生振荡,使开通时di/dt变大,增加逐流二极管(FWD)恢复时的浪涌电压,具体值可参见表4。
B、Rg值大——性能与上述相反。
栅极驱动的布线对防止潜在振荡,减慢栅极电压上升,减小噪音损耗,降
低栅极电压或减小栅极保护电路的效率有较大的影响。
要注意事项如下:
A、将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最低。
B、驱动板和屏蔽栅极驱动电路要正确放置,以
防功率电路和控制电路之间的电感耦合。
C、采用辅助发射极端子连接栅极驱动电路。
D、
当驱动PCB板和IGBT控制端子不可能作直接连接时,建议用双股绞线(2转/CM小于3CM长)或带状线,同轴线。
E.栅极箝位保护电路,必须按低电感布线,并尽量放置于IGBT模块的栅极,发射极控制端子附近。
F、由于IGBT的开关会使用相互电位改变,PCB板的线条之间彼此不宜太近,过高的dv/dt会由寄生电容产生耦合噪声。
若布线无法避免交叉
或平衡时,必须采用屏蔽层,加以保护。
G、要减少各器件之间的寄生电容,避免产生耦合
噪声。
H、用光耦器来作隔离栅极驱动信号,其最小共模抑制比要在10.000V/μS,栅极回路除上述外而防止栅极电路出现高压尖峰,一般在G、E极间并一个电阻Rge,再并二只反串的稳压二极管,以使工作更可靠、安全、有效。
Rge值在1000-5000欧之间,见图4。
dv/dt及短路保护在IGBT关断时,栅极要加反向偏置,由于栅极的阻抗很大,该电流
令Vge增加,恶劣条件下可达阈值电压时,则IGBT将开通,导致上下臂同时开通使桥臂每
一相短路,为防止这现象的发生要注意以下几点:
A、在断态时要加足够的负栅极电压值
至少-5V。
B、在关断时Rg为较低值(可见表4)。
C、栅极电路的电感Lg应降至最低。
当短路情况出现时,IGBT要继续维持在短路安全工作区内,其方法有:
A、电流传感器B、欠饱和式但必须能测出短路到关断IGBT时间在10μs之内,常用有三种方法:
A、控制关断—减少栅极电压(有分段或斜坡减少)增加沟道内阻。
B、Vge箝位—Vge在18V以下,对小功率器件,可在G极与E极之间用齐纳二极管箝位。
C、减少tw—缩短短路持续时间,但将使关断电流增大。
使用注意事项A、栅极与任何导电区要绝缘,以免产生静电而击穿,所以包装时将G极和E极之间要有导电泡沫塑料,将它短接。
装配时切不可用手指直接接触,直到G极管脚进行永久性连接。
B、主电路用螺丝拧紧,控制极G要用插件,尽可能不用焊接方式。
C、装卸时应采用接地工作台,接地地面,接地腕带等防静电措施。
D、仪器测量时,将100Ω电阻与G极串联。
E、要在无电源时进行安装。
F、焊接G极时,电烙铁要停电并接地,选用定温电烙铁最合适。
当手工焊接时,温度260?
±5?
,时间(10±1)秒,松香焊剂。
波峰焊接时,PCB板要预热80?
—105?
,在245?
时浸入焊接3-4秒,松香焊剂。
IGBT的串并联A、并联目的是增大使用的工作电流,但器件要匹配,每块Vce之差<0.3V,还要降流使用,对600V的降10%Ic,1200-1400V的降15%Ic,1700V的降20%Ic,这组值指≥200A的模块,并要取饱和压降相等或接近的模块才行。
栅控电路要分开,除
静态均流外,还有动态均流问题,并使温度相接近,以免影响电流的均衡分配,因IGBT是负阻特性的器件。
B、串联的目的是增高使用的工作电压,其要求比并联更高,主要是静
态均压及动态均压问题,尤其是动态均压有一定难度。
成都佳灵公司提出的容性母板技术
(1+N)只串联动态电压箝位均压方式已处于工业实验阶段。
若动态均压不佳,要造成串联
臂各器件上的Vce电压不等,造成一个过压影响同一臂一串电击穿。
C、总之IGBT的串并联应尽量避免,不要以低压小电流器件,通过串并
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- IGBT 用途 参数 接线