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1 引言

80年代問(wèn)世的絕緣柵雙極性晶體管IGBT是一種新型的電力電子器件，它綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，控制方便、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高、安全工作區大。隨著(zhù)電壓、電流等級的不斷提高，IGBT成為了大功率開(kāi)關(guān)電源、變頻調速和有源濾波器等裝置的理想功率開(kāi)關(guān)器件，在電力電子裝置中得到非常廣泛的應用。

隨著(zhù)現代電力電子技術(shù)的高頻大功率化的發(fā)展，開(kāi)關(guān)器件在應用中潛在的問(wèn)題越來(lái)越突出，開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的電壓、電流過(guò)沖，影響到了逆變器的工作效率和工作可靠性。為解決以上問(wèn)題，過(guò)電流保護、散熱及減少線(xiàn)路電感等措施被積極采用，緩沖電路和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)也得到了廣泛的研究，取得了迅速的進(jìn)展。本文對這方面進(jìn)行了綜述。

2 IGBT的應用領(lǐng)域

2.1 IGBT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(kāi)關(guān)元件的電壓源型SPWM逆變器的標準拓撲電路，電容由一個(gè)整流電路進(jìn)行充電，控制回路產(chǎn)生的SPWM信號經(jīng)驅動(dòng)電路對逆變器的輸出波形進(jìn)行控制;變頻器向異步電動(dòng)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 IGBT在開(kāi)關(guān)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?yōu)橹绷麟姷恼髌骱统潆娖饕约鞍阎绷麟娫僮優(yōu)榻涣麟姷哪孀兤?。蓄電池在交流電正常供電時(shí)貯存能量且維持正常的充電電壓，處于“浮充”狀態(tài)。一旦供電超出正常的范圍或中斷時(shí)，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。
并聯(lián)型有源濾波系統的原理圖如圖3所示。主電路是以IGBT為開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率也提出了更高的要求。
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3 IGBT應用中的常見(jiàn)問(wèn)題分析

顯然，IGBT是作為逆變器的開(kāi)關(guān)元件應用到各個(gè)系統中的，常用的控制方法是pwm法。理論上和事實(shí)上都已經(jīng)證明，如果把pwm逆變器的開(kāi)關(guān)頻率提高到20khz以上，逆變器的噪聲會(huì )更小，體積會(huì )更小，重量會(huì )更輕，輸出電壓波形會(huì )更加正弦化，可見(jiàn)，高頻化是逆變技術(shù)發(fā)展方向。但是通常的pwm逆變器中，開(kāi)關(guān)器件在高電壓下導通，在大電流下關(guān)斷，處于強迫開(kāi)關(guān)過(guò)程，在高開(kāi)關(guān)頻率下運行時(shí)將受到如下一系列因素的限制：
IGBT為四層結構，使體內存在一個(gè)寄生晶閘管，等效電路如圖4所示。在npn管的基極與發(fā)射極之間存在一個(gè)體區短路電rs，p型體區的橫向空穴流會(huì )產(chǎn)生一定的壓降，對j3來(lái)說(shuō)相當于一個(gè)正偏置電壓。在規定的范圍內，這個(gè)正偏置電壓不大，npn管不會(huì )導通。當ic大于一定程度時(shí)，該正偏置電壓足以使npn管開(kāi)通，進(jìn)而使npn和pnp管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管開(kāi)通，柵極失去控制作用，即擎住效應，它使ic增大，造成過(guò)高的功耗，甚至導致器件損壞。溫度升高會(huì )使得IGBT發(fā)生擎住的icm嚴重下降。

在IGBT關(guān)斷的動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)體區短路電阻rs時(shí)，可產(chǎn)生足以使npn晶體管開(kāi)通的正向偏置電壓，滿(mǎn)足寄生晶閘管開(kāi)通擎住的條件，形成動(dòng)態(tài)擎住效應。溫度升高會(huì )加重IGBT發(fā)生動(dòng)態(tài)擎住效應的危險。

以線(xiàn)路電感lб≠0時(shí)電路進(jìn)行分析，如圖5所示，關(guān)斷過(guò)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(shí)間線(xiàn)性減小，電感lб兩端感應電壓vl=vbc=lбdit/dt應為負值，


因此，在關(guān)斷過(guò)程一開(kāi)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(guò)vd的數值取決于lб、tfi和負載電流i0，顯然過(guò)快的電流下降率di/dt（即tfi?。?、過(guò)大的雜散電感lб或負載電流過(guò)大都會(huì )引起關(guān)斷時(shí)元件嚴重過(guò)電壓，且伴隨著(zhù)很大的功耗。

可見(jiàn)，盡管IGBT的快速開(kāi)通和關(guān)斷有利于縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間和減小開(kāi)關(guān)損耗，但過(guò)快的開(kāi)通和關(guān)斷，在大電感負載下，反而是有害的，開(kāi)通時(shí)，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(kāi)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(guān)斷時(shí)，大電感負載隨IGBT的超速開(kāi)通和關(guān)斷，將在電路中產(chǎn)生高頻、幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓ldi/dt，常規的過(guò)電壓吸收電路由于受到二極管開(kāi)通速度的限制難以吸收該尖峰電壓，因而vce陡然上升產(chǎn)生過(guò)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(guò)電壓擊穿而損壞。

（3） 在開(kāi)通和關(guān)斷瞬間開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)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(xiàn)圍成的，隨IGBT關(guān)斷時(shí)的在加dvce/dt而改變，dvce/dt越高，rbsoa越窄，因此在開(kāi)通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的高dvce/dt將會(huì )使開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)運行軌跡更容易超出rbsoa，影響開(kāi)關(guān)可靠性。

（4） 二極管反向恢復時(shí)的dv/dt和IGBT關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓會(huì )在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生過(guò)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(guò)沖會(huì )通過(guò)ccg耦合柵極，使柵極電壓瞬時(shí)升高，因為柵極負偏壓和輸入電容cge的存在，這時(shí)柵極電壓所達到的高度比集電極的過(guò)沖要低的多，但它還是可能超過(guò)門(mén)檻值而使本應截止的管子導通，因此上下橋臂直通而過(guò)電流。

如果由此引起的門(mén)極電壓足以使管子進(jìn)入飽和，則已不是直通而是短路了。在集電極電壓過(guò)沖后的震蕩衰減過(guò)程中這種過(guò)流或短路也會(huì )連續多次出現，實(shí)驗證明這一現象確實(shí)存在。
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4 常用的解決方法

對于以上問(wèn)題，一般采取的實(shí)用性措施有：選用有效的過(guò)流保護電路、采用無(wú)感線(xiàn)路、積極散熱、采用吸收電路和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。

4.1 選用有效的過(guò)流保護驅動(dòng)電路

在IGBT的應用中，關(guān)鍵是過(guò)流保護。IGBT能承受的過(guò)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，因而對過(guò)流保護的要求就更高了。IGBT的過(guò)電流保護可分為兩種類(lèi)型，一種是低倍數（1.2~1.5倍）的過(guò)載電流保護;

另一種是高倍數（8~10倍）的短路電流保護。對于過(guò)載保護可采用瞬時(shí)封鎖門(mén)極脈沖的方法來(lái)實(shí)現保護。對于短路電流保護，加瞬時(shí)封鎖門(mén)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出很高的集電極電壓過(guò)沖擊穿IGBT，使保護失效。

因此對IGBT而言，可靠的短路電流保護應具備下列特點(diǎn)：

（1） 首先應軟降柵壓，以限制短路電流峰值，延長(cháng)允許短路時(shí)間，為保護動(dòng)作贏(yíng)得時(shí)間;
（2） 保護切斷短路電流應實(shí)施軟關(guān)斷

IGBT驅動(dòng)器exb841、m57962和hl402b均能滿(mǎn)足以上要求。但這些驅動(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。為此可利用驅動(dòng)器的故障檢測輸出端通過(guò)光電耦合器來(lái)徹底封鎖門(mén)極脈沖，或將工作頻率降低至1hz以下，在故障消失時(shí)自動(dòng)恢復至正常工作頻率。

如圖6所示，IGBT的驅動(dòng)模塊m57962l上自帶保護功能，檢測電路檢測到檢測輸入端1腳為15v高電平時(shí)，判定為電流故障，立即啟動(dòng)門(mén)關(guān)斷電路，將輸出端5腳置低電平，使IGBT截止，同時(shí)輸出誤差信號使故障輸出端8腳為低電平，以驅動(dòng)外接保護電路工作，延時(shí)8~10μs封鎖驅動(dòng)信號，這樣能很好地實(shí)現過(guò)流保護。經(jīng)1~2ms延時(shí)后，如果檢測出輸入端為高電平，則m57962l復位至初始狀態(tài)。

4.2 采用無(wú)感線(xiàn)路

由前面的分析可知，相對于同樣的di/dt，如果減小雜散電感lб的數值，同樣可以緩減關(guān)斷過(guò)程的dvce/dt。對于功率較大的IGBT裝置，線(xiàn)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，構成低感母線(xiàn)，也有專(zhuān)門(mén)的生產(chǎn)廠(chǎng)家為裝置配套制作無(wú)感母線(xiàn)。無(wú)感母線(xiàn)降低電壓過(guò)沖的意義不僅為了避免過(guò)流或短路，還在于減輕吸收電路的負擔，簡(jiǎn)化吸收電路結構，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(wèn)題［7］。

4.3 積極散熱

IGBT在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運行的，只是在集射電壓vce下降過(guò)程后期，pnp晶體管由放大區至飽和區，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(guò)程中，MOSFET關(guān)斷后，pnp晶體管中的存儲電荷難以迅速消除，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(kāi)通關(guān)斷時(shí)間的延遲會(huì )增加開(kāi)關(guān)損耗，并且，每開(kāi)通關(guān)斷一次損耗就會(huì )累加，如果開(kāi)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)生擎住效應的危險，而且，會(huì )延長(cháng)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)扇以增強空氣流通，可以有效的提高散熱效率。

4.4 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應用

軟開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振， 使開(kāi)關(guān)條件得以改善， 從而抑制開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓、電流過(guò)沖，提高開(kāi)關(guān)可靠性。目前， 適用于dc/dc和dc/ac變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)有如下幾種：

（1） 諧振型變換器
諧振型變換器是負載r與lc電路組成的負載諧振型變換器，其諧振元件在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期中一直工作，這種變換器的工作狀態(tài)與負載的關(guān)系很大，對負載的變化很敏感。

（2）準諧振型變換器qrcs
如圖7所示（a）（b）分別為零電壓準諧振電路和零電流準諧振電路，這類(lèi)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(guò)程，一般采用脈沖頻率調制法調控輸出電壓和輸出功率。

（3）諧振型直流環(huán)節逆變器rdcli
在逆變器直流母線(xiàn)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(xiàn)上的電容電壓vc周期性地變?yōu)榱?，從而為后面的逆變橋的開(kāi)關(guān)器件創(chuàng )造零電壓開(kāi)關(guān)條件。該電路中電壓vc的諧振峰值很高，增加了對開(kāi)關(guān)器件耐壓的要求。

（4）零開(kāi)關(guān)pwm變換器
這類(lèi)變換器是在qrcs基礎上加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，僅在需要開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉變時(shí)才啟動(dòng)諧振電路，為開(kāi)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(kāi)關(guān)電路，（b）為零電流pwm開(kāi)關(guān)電路，變換器可按恒定頻率的pwm方式運行，但是由于諧振電感是與主開(kāi)關(guān)管串聯(lián)，lr除承受諧振電流外還要提供負載電流，這樣電源供給負載的全部能量都要經(jīng)過(guò)諧振電感lr，使得電路中存在很大的環(huán)流能量，增大電路的導通損耗;
此外，lr的儲能極大的依賴(lài)輸入電壓和負載電流，電路很難在很寬的輸入電壓變化范圍和負載電流大范圍變化時(shí)滿(mǎn)足零電壓、零電流開(kāi)關(guān)條件。

（5）零轉換pwm變換器
如果將諧振電感lr及其輔助開(kāi)關(guān)電路改為與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)，主開(kāi)關(guān)通態(tài)時(shí)，lr中不流過(guò)負載電流，僅在“開(kāi)通”與“關(guān)斷”時(shí)啟動(dòng)輔助開(kāi)關(guān)電路形成主開(kāi)關(guān)管的零電壓或零電流條件， 改變主開(kāi)關(guān)通、斷狀態(tài)，開(kāi)通或關(guān)斷電路。這時(shí)輔助電路的工作不會(huì )增加主開(kāi)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載電路范圍內工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且電路中的無(wú)功交換被削減到最小。這種pwm變換器稱(chēng)為零轉換pwm變換器，如圖10所示：（a）為零電壓轉換pwm開(kāi)關(guān)電路，（b）為零電流轉換pwm開(kāi)關(guān)電路。電路簡(jiǎn)單，效率高是他們的主要特點(diǎn)。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)需要附加額外的開(kāi)關(guān)元件、輔助電源、檢測手段、控制策略等，輔助開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路要與主開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路隔離，且對輔助電路提出了更快的開(kāi)關(guān)時(shí)間要求。電路與控制的復雜化帶來(lái)了成本的提高與可靠性的降低，故許多軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的推廣應用受到很大的限制。如果軟開(kāi)關(guān)技術(shù)采用新的驅動(dòng)技術(shù)，可使用與主開(kāi)關(guān)驅動(dòng)信號有簡(jiǎn)單邏輯關(guān)系的信號控制輔助開(kāi)關(guān)，甚至由電路進(jìn)行自驅動(dòng)，那么控制、檢測、驅動(dòng)等附加電路可全部去掉，這將是軟開(kāi)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(chēng)緩沖電路。它利用無(wú)源器件通過(guò)參數匹配使主開(kāi)關(guān)管工作于零電壓或零電流狀態(tài)，達到抑制電力電子器件的關(guān)斷時(shí)過(guò)電壓、開(kāi)通時(shí)過(guò)電流，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗的目的。吸收電路一般分為兩類(lèi)：

（1） 吸收電路中儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，稱(chēng)其為耗能式吸收電路；
（2） 若吸收電路能夠將其儲能元件的能量回饋給負載或電源，稱(chēng)其為能量回饋型吸收電路，或稱(chēng)為無(wú)損吸收電路。
傳統的耗能式吸收電路把能量通過(guò)電阻泄放，主管開(kāi)關(guān)損耗的降低以額外吸收損耗的增加為代價(jià)，而無(wú)損吸收技術(shù)能夠將儲能元件中的能量回饋至電源、負載或大幅削減其數值，大大增加吸收強度，達到軟開(kāi)關(guān)目的。

實(shí)現橋臂無(wú)損吸收見(jiàn)諸文獻的大約有如圖11所示幾種。圖11（a）（e）電路從理論上實(shí)現了逆變器橋臂的無(wú)源無(wú)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(guò)高是該電路的致命弱點(diǎn);

圖11（c）（d）實(shí)際上是用于橋式dc-dc變換器的結構， 這一拓撲中電感單純用作抑制吸收電容充放電電流，圖11 幾種無(wú)源無(wú)損耗吸收電路對于一般逆變橋臂則起不到開(kāi)通緩沖的作用; 圖11（b）［13］是無(wú)損吸收電路研究的最新水平，它完全用lcd網(wǎng)絡(luò )實(shí)現無(wú)損吸收，避免了互感元件帶來(lái)的一系列問(wèn)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(wèn)題，如主開(kāi)關(guān)關(guān)斷沖擊電壓和開(kāi)通電流過(guò)沖相互制約， 且負載依賴(lài)性大， 工作適應范圍小，設計、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(kāi)關(guān)應力改善方法。相比軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，他在變換效率、可靠性等指標上以及性?xún)r(jià)比方面占優(yōu)。但也存在一些缺點(diǎn)：具有較強負載依賴(lài)性；使用變壓器時(shí)，負邊二極管耐壓值過(guò)高; 吸收網(wǎng)絡(luò )分析困難，附加損耗大等，這些都是與無(wú)源方式的固有性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的。

5 結束語(yǔ)

為降低pwm逆變器中的功率元件IGBT高頻工作下的開(kāi)關(guān)損耗，改善線(xiàn)路電感分布電容等因素對開(kāi)關(guān)及其工作過(guò)程的影響，抑制開(kāi)關(guān)在開(kāi)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(guò)流保護的驅動(dòng)電路是IGBT開(kāi)關(guān)逆變器正常工作的前提，目前國內外常用的IGBT驅動(dòng)電路模塊都帶有過(guò)流保護功能，對短路電流能夠正確的判斷并采取相應措施，對開(kāi)關(guān)器件實(shí)現可靠的保護。

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(kāi)關(guān)損耗，提高開(kāi)關(guān)可靠性，但保持一定的冷卻條件不僅可以減少發(fā)生擎住效應的危險，也可以在一定程度上抑制開(kāi)關(guān)損耗。

軟開(kāi)關(guān)是在開(kāi)關(guān)處于零電壓或零電流狀態(tài)時(shí)開(kāi)通或關(guān)斷，則理論上由于元件在開(kāi)關(guān)前后狀態(tài)不變，即di/dt＝0或dv/dt＝0，就沒(méi)有了過(guò)壓和過(guò)流的問(wèn)題，而且，開(kāi)關(guān)速度不受影響，損耗就減少了。但為了制造軟開(kāi)關(guān)，開(kāi)通狀態(tài)下的電壓電流難免會(huì )作相應的變化（振蕩），增加通態(tài)損耗，由于導通壓降不是很大，損耗不會(huì )增加很多。

吸收電路是將在元件開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)壓和過(guò)流等多余的能量吸收，并存儲在儲能元件里，等開(kāi)關(guān)處于穩定狀態(tài)時(shí)，再想辦法把儲存的能量反饋到電源和負載中，以提高逆變器的效率。

采用無(wú)感母線(xiàn)可以減輕吸收電路的負擔，簡(jiǎn)化吸收電路結構，降低吸收電阻功耗，減少逆變器的體積。

以上幾項措施的采用，使得IGBT即便在高開(kāi)關(guān)頻率下也能安全、經(jīng)濟、可靠的運行。

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