IGBT应用技术中常见问题及解决方法.docx

1、IGBT应用技术中常见问题及解决方法IGBT 应用中常见问题及解决方法来源：半导体器件应用网摘 要 ：综 合 了 gtr 和 mosfet 优 点 的 igbt ，是 一 种 新型 的 80 年代 问 世的 绝 缘栅双极性晶体管，它控制方便、工作频率高、开关速度快、安全工作区大。随 着电 压、 电 流 等 级的 不 断 提高 ， igbt 成 为 了 大 功 率开 关 电 源 、变 频 调 速 和有 源 滤波器等装置的理想功率开关器件，在电力电子装置中得到非常广泛的应用。关 键 字 ： 变 频 调 速 器 , 开 关 电 源 , ups 逆 变 电 源随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展，

2、开关器件在应用中潜在的问题越来越凸出，开关过程引起的电压、电流过冲，影响到了逆变器的工作效率和工作可靠性。为 解决上述问题，积极采用了过电流保护、散热及减少线路电感等措施，缓冲电路和软开关技术也得到了广泛的研究，取得了迅速的进展。本 文就针对这方面进行了综述。2 igbt 的 应用 领 域2.1 在变频调速器中的应用spwm 变频 调速 系 统的 原 理 框 图 如 图 1 所示 。主 回 路为 以 igbt 为开 关 元件 的 电压 源 型 spwm 逆 变 器 的 标 准 拓 扑 电 路 ，电 容 由一 个 整 流 电 路 进 行 充电 ， 控制 回路产 生 的 spwm 信 号 经 驱

3、动 电 路 对 逆 变 器的 输 出波 形 进 行 控 制 。 变 频器 向 异步 电动机输出相应频率、幅值和相序的三相交流电压，使之按一定的转速和旋转方向运转 。2.2 在开关电源中的应用图 2 为典 型 的 ups 系 统 框 图 。它 的 基本 结 构是 一 套 将 交流 电 变 为 直 流电 的 整流器和充电器以及把直流电再变为交流电的逆变器。蓄电池在交流电正常供电时贮存能量且维持正常的充电电压，处于“浮充”状态。一旦供电超出正常的范围或中 断 时 ，蓄 电 池立 即 对逆 变 器 供 电 ， 以 保证 ups 电 源 输 出交 流 电压 。1/10ups 逆 变 电 源 中 的 主要

4、 控 制 对 象 是逆 变 器， 所 使 用 的 控 制 方 法中 用 得最 为广泛 的 是 正弦 脉 宽调 制 (spwm) 法 。2.3 在有源滤波器中的应用并 联 型 有 源 滤 波 系统 的 原理 图 如图 3 所 示 。 主 电 路 是 以 igbt 为开 关 元件 的 逆变器，它向系统注入反向的谐波值，理论上可以完全滤除系统中存在的谐波。与变 频 调 速器 不 同的 是 ，有 源 滤 波 器 pwm 控制 信 号 的 调 制 波 是 需 要 补偿 的 各次 谐 波的合成波形，为了能精确的反映出调制波的各次谐波成分，必须大大提高载波的频率。这对开关器件的开关频率也提出了更高的要求。3

5、 igbt 应 用中 的 常见 问 题 分 析显 然， igbt 是 作 为 逆 变器 的 开关 元件 应 用到 各 个 系 统 中的 ，常 用 的控 制 方法是 pwm 法 。 理 论 上和 事实 上 都已 经 证 明 ， 如 果 把 pwm 逆 变 器的 开关 频 率提 高 到 20khz 以 上，逆 变器 的 噪 声 会 更 小 ， 体积 会 更 小 ，重 量会 更 轻， 输 出 电 压 波 形 会更 加 正 弦化 ，可 见 ，高 频 化 是逆 变 技 术 发 展方 向 。但 是 通 常 的 pwm 逆 变 器 中 ，开关器件在高电压下导通，在大电流下关断，处于强迫开关过程，在高开关频率

6、下运行时将受到如下一系列因素的限制：(1)产生擎住效应或动态擎住效应igbt 为四 层结 构 ，使 体 内存 在 一 个 寄生 晶 闸 管 ，等 效 电 路 如 图 4 所示 。在 npn2/10(2)压 过 冲管 的 基 极与 发 射极 之 间存 在 一 个 体 区 短 路 电 rs ，p 型 体区 的 横向 空 穴 流 会产 生 一定 的压 降 ，对 j3 来说 相 当 于 一 个 正偏 置 电 压 。 在 规定 的 范 围 内 ， 这 个 正 偏 置 电压 不 大 ， npn 管 不会 导 通 。 当 ic 大 于 一 定 程度 时 ，该 正偏 置 电压 足 以 使 npn 管开 通 ，

7、进 而 使 npn 和 pnp 管 处 于饱 和 状态 ，于 是 寄 生 晶闸 管 开通 ，栅 极失 去 控制作 用 ， 即擎 住 效应 ， 它使 ic 增 大， 造 成过 高 的 功 耗 ， 甚 至 导 致 器件 损 坏 。 温度升 高 会 使得 igbt 发 生 擎 住 的 icm 严重 下 降 。在 igbt 关 断 的动 态 过 程 中， 如 果 dvce/dt 越 高， 则 在 j2 结 中引 起 的位 移电流 cj2dvce/dt 越大 ，当 该 电 流流 过 体 区 短 路 电 阻 rs 时 ，可 产生 足以 使 npn 晶 体管开通的正向偏置电压，满足寄生晶闸管开通擎住的条件，

8、形成动态擎住效应。温 度 升 高会 加 重 igbt 发 生 动态 擎 住效 应的 危 险 。过 高的 di/dt 会 通 过 igbt 和缓 冲 电路 之 间 的 线 路 电 感 引起 开 关时 的电以 线 路 电 感 l 0时 电 路进 行 分析 ， 如 图 5 所示 ， 关断 过 程 中 ， 感性 负 载电流 i 保持 不 变，即 i =it+id 保 持 不变 ， it 从零 增 大 到 i 。由 于 二极 管 d 导通 ，voe=0 ，由 于 it 随 时 间 线 性 减小 ，电 感 l 两 端 感 应 电 压 vl=vbc=l dit/dt应 为 负 值， vcb 为 正 值， 即

9、 c 点 电 位 高于 b 点电 位 。由 于 it=i0(1-t/tfi)故 vl=vbc=l dit/dt=-l i0/tfi 0vcb= -vbc= l i0/tfi在 it 下 降 的 tfi 期 间 ， 开关 两 端电 压vt=vcem=vd-vl=vd+l i0/tfi因 此 ， 在关 断 过程 一 开 始 ， vt 立 即 从零 上升 到 vcem ， it 在 从 i0 下降 至 零期 间 ， vt=vcem 不 变 。 直 到 it=0 、 id=i0 以 后 ， vt 才 下 降为 电 源 电 压 vd ， 如 图3/105(b) 所 示。 vcem 超过 vd 的 数 值

10、取 决 于 l 、 tfi 和负 载电 流 i0 ，显 然 过快 的 电流 下 降 率 di/dt( 即 tfi 小 ) 、过 大的 杂 散电 感 l 或 负载 电 流过 大 都 会 引起 关 断时元件严重过电压， 且伴随着很大的功耗。可 见，尽 管 igbt 的 快 速 开 通和 关 断 有 利于 缩 短开 关 时 间 和 减 小 开 关 损 耗，但过快的开通和关断，在大电感负载下，反而是有害的，开通时，存在续流二极管反 向恢 复 电流 和 吸 收电 容 器的 放 电 电 流 ，则 开 通 越 快 ， igbt 承 受 的 峰值 电 流也就 越 大 ，甚 至 急剧 上 升， 导 致 igbt

11、 或 者续 流 二 极 管 损 坏 。 关 断 时， 大 电感 负 载随 igbt 的 超速 开 通 和 关 断 ， 将 在 电 路中 产 生高 频 、 幅 值很 高 而 宽 度 很窄 的 尖峰电 压 ldi/dt ， 常 规的 过 电 压 吸 收 电路 由 于 受到 二 极 管开 通 速度 的 限 制难 以 吸收该 尖 峰 电压 ， 因而 vce 陡 然 上升 产 生 过 冲现 象 ， igbt 将 承 受 较 高的 dvce/dt 冲击，有可能造成自身或电路中其它元器件因过电压击穿而损坏。(3)在开通和关断瞬间开关器件的状态运行轨迹超出反向安全工作区(rbsoa)。反 向 安 全 工 作

12、区 (rbsoa) 是由 最 大集 电 极 电 流 icm 、最 大 集 射 极间 电 压 vce和电 压 上 升率 dvce/dt三 条 极限 边 界 线 围 成的 ， 随 igbt 关 断 时的 在 加 dvce/dt而改 变 ， dvce/dt越 高 ， rbsoa 越 窄 ， 因 此 在 开通 和 关断 瞬间 产 生 的 高 dvce/dt将会 使 开 关器 件 的状 态 运行 轨 迹 更 容 易 超 出 rbsoa ，影 响 开 关 可 靠性 。(4)二 极管 反 向 恢 复 时的 dv/dt和 igbt 关 断 时 的 浪 涌 电 压 会在 开 关时 产生过 流 。众 所 周 知

13、， igbt存 在 弥勒 电 容 ccg 和 输 入 电 容 cge ， igbt 两 端的 电 压过 冲会通 过 ccg耦 合 栅极 ，使 栅 极 电压 瞬 时 升 高 ，因 为 栅极 负 偏压 和 输 入 电 容 cge 的 存在，这时栅极电压所达到的高度比集电极的过冲要低的多，但它还是可能超过门槛值而使本应截止的管子导通，因此上下桥臂直通而过电流。如果由此引起的门极电压足以使管子进入饱和，则已不是直通而是短路了。在集电极电压过冲后的震荡衰减过程中这种过流或短路也会连续多次出现，实验证明这一现象确实存在。4常用的解决方法对于以上问题，一般采取的实用性措施有：选用有效的过流保护电路、采用无感

14、线路、积极散热、采用吸收电路和软开关技术。4.1 选用有效的过流保护驱动电路在 igbt 的应 用 中， 关键 是 过 流 保 护。 igbt 能 承 受的 过 流 时 间仅 为 几微 秒 ，4/10这 与 scr 、 gtr( 几 十微 秒 ) 等器 件 相 比 要 小 得 多 ， 因 而对 过 流保 护 的 要求 就 更高了 。 igbt 的 过电 流 保护 可 分 为 两种 类 型 ，一 种 是 低 倍 数 (1.21.5 倍 ) 的 过载 电 流保 护 。另一种是高倍数(810 倍)的短路电流保护。对于过载保护可采用瞬时封锁门极脉冲的方法来实现保护。对于短路电流保护，加瞬时封锁门极脉冲

15、会因短路电流 下 降 的 di/dt 太 大 ，极 易 在 回 路 杂 散电 感 上 感 应 出 很 高 的 集 电 极电 压 过冲 击穿 igbt ， 使保 护 失效 。因 此 对 igbt 而 言 ， 可 靠 的短 路 电 流 保护 应 具备 下 列 特 点：(1)首先应软降栅压，以限制短路电流峰值，延长允许短路时间，为保护动作赢得时间。(2)保护切断短路电流应实施软关断igbt 驱动 器 exb841 、 m57962 和 hl402b 均能 满 足 以 上 要 求 。 但这 些 驱动 器不能彻底封锁脉冲，如不采取措施在故障不消失情况下会造成每周期软关断保护一次 的 情 况， 这 样产

16、生 的热 积 累 仍 会 造 成 igbt 的 损 坏 。 为 此 可利 用驱 动 器的 故 障检 测 输 出端 通 过光 电 耦合 器 来 彻 底 封 锁 门极 脉 冲，或 将 工作 频率 降 低至 1hz 以 下 ，在故障消失时自动恢复至正常工作频率。如 图 6所 示 ， igbt 的 驱 动模 块 m57962l 上自 带 保 护 功 能 ， 检 测电 路 检测 到检测 输入 端 1 脚为 15v 高 电 平 时 ， 判 定为 电 流 故 障 ， 立即 启 动 门 关 断 电 路 ， 将 输出端 5脚 置低 电 平， 使 igbt 截 止 ，同 时 输 出 误 差信 号 使故 障输 出

17、端 8 脚 为 低电 平 ，以 驱 动 外接 保 护电 路 工作 ，延 时 810 s 封锁 驱 动信 号，这 样 能 很 好 地 实现 过 流保 护 。 经 12ms 延时 后 ，如 果 检 测 出 输入 端 为 高 电平 ，则 m57962l 复 位 至初 始 状态 。4.2 采用无感线路由 前 面 的 分 析 可 知， 相 对于 同 样的 di/dt ， 如 果 减 小杂 散电 感 l 的数 值 ，同 样 可 以缓 减 关断 过 程的 dvce/dt 。 对于 功 率 较 大 的 igbt 装 置 ，线 路 寄生 电感5/10较大，可用两条宽而薄的母排，中间夹一层绝缘材料，相互紧叠在一起

18、，构成低感母线，也有专门的生产厂家为装置配套制作无感母线。无感母线降低电压过冲的意义不仅为了避免过流或短路，还在于减轻吸收电路的负担，简化吸收电路结构，减少吸收电阻功耗，减少逆变器的体积。这也是很令人关注的问题。4.3 积极散热igbt 在 开 通过 程 中， 大部 分 时 间 是 作 为 mosfet 来运 行 的 ， 只是 在 集射 电 压vce 下 降 过程 后 期 ，pnp 晶 体 管 由 放大 区 至饱 和 区 ，增 加 了 一段 延 缓 时 间 ，使 vce波 形 被 分为 两 段 。 igbt 在关 断 过 程 中 ， mosfet 关断 后 ， pnp 晶 体管 中 的存 储电

19、荷难以迅速消除，使集电极电流波形变为两段，造成集电极电流较大的拖尾时间。显然，开通关断时间的延迟会增加开关损耗，并且，每开通关断一次损耗就会累加，如果开关频率很高，损耗就会很大，除了降低逆变器的效率以外，损耗造成的 最 直 接的 影 响就 是 温度 升 高 ，这 不 仅 会 加重 igbt 发 生 擎住 效 应 的 危 险，而 且 ，会延长集电极电流的下降时间和集射电压的上升时间，引起关断损耗的增加。显然 ， 这 是一 个 恶性 循 环， 因 此 ， 为 igbt 提 供 良 好 的 散 热 条 件 是 有效 利 用器 件 ，减少损耗的主要措施。除了正确安装散热器外，安装风扇以增强空气流通，可

20、以有效的提高散热效率。4.4 软开关技术的应用软开关技术是在电路中增加了小电感、电容等谐振元件， 在开关过程前后引入谐振， 使开关条件得以改善， 从而抑制开关过程的电压、电流过冲，提高 开 关 可靠 性 。目 前 ， 适用 于 dc/dc 和 dc/ac 变 换 器的 软 开 关 技术 有 如 下 几 种：(1)谐振型变换器谐 振 型 变 换 器 是 负载 r 与 lc 电 路组 成 的 负 载谐 振 型 变 换 器，其 谐 振 元件 在整个开关周期中一直工作，这种变换器的工作状态与负载的关系很大，对负载的变化很敏感。(2)准 谐振 型 变 换 器 qrcs如 图 7所 示 (a)(b) 分

21、别 为 零电 压 准谐 振 电 路 和 零 电 流 准 谐 振电 路 ，这 类变 换器的谐振元件只参与能量变换的某一阶段而不是全过程，一般采用脉冲频率调制法调控输出电压和输出功率。6/10(3)谐 振型 直 流 环 节 逆变 器 rdcli在 逆 变 器 直 流 母 线与 直 流输 入 端之 间加 入 一 个 辅 助 lc 谐 振 回路 ，如 图 8所 示 ，工 作 时 启动 lc 电路 不 断 地 谐振 ，使 并 联 在 直 流母 线 上 的 电容 电 压 vc 周 期 性 地 变为 零， 从 而为 后 面 的逆 变 桥的 开 关 器 件 创造 零 电 压 开 关 条 件 。 该 电 路 中

22、 电压 vc 的谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。(4)零 开关 pwm 变 换 器这 类 变 换 器 是在 qrcs 基 础 上 加 入一 个 辅 助 开关 管 来控 制 谐 振 元 件 的谐 振过程，仅在需要开关状态转变时才启动谐振电路，为开通或关断制造零电压或零电流 条 件 。 如 图 9 所示 (a) 为 零 电 压 pwm 开 关 电路 ， (b) 为 零 电 流 pwm 开 关 电路 ， 变换 器可 按 恒定 频 率 的 pwm 方式 运 行 ， 但 是 由于 谐 振 电感 是 与主 开 关 管串 联 ， lr 除承受谐振电流外还要提供负载电流，这样电源供给负载的全部能量都

23、要经过谐振 电 感 lr ， 使 得 电 路中 存 在 很 大 的环 流 能量 ， 增 大 电 路 的 导 通损 耗 。此 外， lr 的 储 能 极 大 的依 赖 输入 电压 和 负载 电 流 ，电 路 很 难 在 很 宽的 输 入电压变化范围和负载电流大范围变化时满足零电压、零电流开关条件。(5) 零 转换 pwm 变 换 器7/10如 果 将 谐 振 电 感 lr 及 其 辅助 开 关电 路 改 为 与 主 开 关 并 联 ，主开 关 通态 时 ，lr中不流过负载电流，仅在“开通”与“关断”时启动辅助开关电路形成主开关管的零电压或零电流条件， 改变主开关通、断状态，开通或关断电路。这时辅

24、助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流压力，逆变器可以在很宽的输入电压范围和负载电路范围内工作在软开关状态，且电路中的无功交换被削减到最小。这 种 pwm 变 换 器称 为零 转 换 pwm 变 换 器 ， 如 图 10 所 示： (a) 为零 电 压 转 换 pwm 开关 电 路 ， (b) 为 零 电流 转 换 pwm 开 关 电 路 。电 路 简 单 ，效 率高 是 他们 的 主 要 特 点 。软开关技术需要附加额外的开关元件、辅助电源、检测手段、控制策略等，辅助开关驱动电路要与主开关驱动电路隔离，且对辅助电路提出了更快的开关时间要求。电路与控制的复杂化带来了成本的提高与可靠性的降低，

25、故许多软开关技术的推广应用受到很大的限制。如果软开关技术采用新的驱动技术，可使用与主开关驱动信号有简单逻辑关系的信号控制辅助开关，甚至由电路进行自驱动，那么控制、检测、驱动等附加电路可全部去掉，这将是软开关技术发展的方向之一 。(5)零 转换 pwm 变 换 器如 果 将 谐 振 电 感 lr 及 其 辅助 开 关电 路 改 为 与 主 开 关 并 联 ，主开 关 通态 时 ，lr中不流过负载电流，仅在“开通”与“关断”时启动辅助开关电路形成主开关管的零电压或零电流条件， 改变主开关通、断状态，开通或关断电路。这时辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流压力，逆变器可以在很宽的输入电压范围和

26、负载电路范围内工作在软开关状态，且电路中的无功交换被削减到最小。这 种 pwm 变 换 器称 为零 转 换 pwm 变 换 器 ， 如 图 10 所 示： (a) 为零 电 压 转 换 pwm 开关 电 路 ， (b) 为 零 电流 转 换 pwm 开 关 电 路 。电 路 简 单 ，效 率高 是 他们 的 主 要 特 点 。软开关技术需要附加额外的开关元件、辅助电源、检测手段、控制策略等，辅助开关驱动电路要与主开关驱动电路隔离，且对辅助电路提出了更快的开关时间要求。电路与控制的复杂化带来了成本的提高与可靠性的降低，故许多软开关技术的推广应用受到很大的限制。如果软开关技术采用新的驱动技术，可使

27、用与主开关驱动信号有简单逻辑关系的信号控制辅助开关，甚至由电路进行自驱动，那么控制、检测、驱动等附加电路可全部去掉，这将是软开关技术发展的方向之8/10一 。实 现 桥 臂 无 损吸 收见 诸 文献 的 大约 有 如 图 11 所 示 几 种 。 图 11(a)(e) 电路 从理论上实现了逆变器桥臂的无源无损吸收，但用作能量回馈的变压器，其副边的二极管耐压值过高是该电路的致命弱点。图 11(c)(d) 实际 上 是用 于 桥 式 dc-dc 变换 器 的 结 构 ， 这一 拓扑 中 电 感 单 纯用作抑制吸收电容充放电电流，图11 几种无源无损耗吸收电路对于一般逆变桥臂 则 起 不到 开 通缓

28、 冲 的作 用 。 图 11(b) 是 无损 吸 收电 路 研 究 的 最新 水 平，它 完 全用 lcd 网络 实 现 无 损吸 收 ，避 免 了 互 感 元件 带 来的 一 系 列 问 题 ， 最 大 限 度 地 归并元件， 工程适用化程度高。但也存在一些问题，如主开关关断冲击电压和开通电流过冲相互制约， 且负载依赖性大， 工作适应范围小，设计、安装难度大，多相臂间可能相互影响等。吸收电路是最早被采用的开关应力改善方法。相 比软开关技术，他在变换效率、可靠性等指标上以及性价比方面占优。但也存在一些缺点：具有较强负载依赖 性 。使用变压器时，负边二极管耐压值过高。 吸收网络分析困难，附加损耗

29、大等，这些都是与无源方式的固有性质相关联的。5结 束 语为 降 低 pwm 逆变 器 中的 功 率 元 件 igbt 高 频 工 作 下 的 开 关 损耗 ，改 善 线路 电 感分 布 电 容等 因 素对 开 关及 其 工 作 过 程 的 影响 ，抑 制开 关 在 开 通 和关 断 时的 di/dt 和 dv/dt ，本 文 介 绍 了多 种 解决 方法 。选 用 带 有 效 过 流 保护 的 驱动 电 路是 igbt 开 关 逆 变 器 正常 工 作的 前 提 ，目 前 国内 外 常 用的 igbt 驱 动 电 路 模 块 都 带 有过 流 保 护 功 能 ， 对 短 路 电 流能 够 正确

30、 的判断并采取相应措施，对开关器件实现可靠的保护。积极散热是必不可少的措施，虽然它不能从本质上降低开关损耗，提高开关可靠性，但保持一定的冷却条件不仅可以减少发生擎住效应的危险，也可以在一定程度上抑制开关损耗。软开关是在开关处于零电压或零电流状态时开通或关断，则理论上由于元件在 开 关 前后 状 态不 变 ，即 di/dt=0 或 dv/dt=0 ， 就 没 有 了 过 压 和 过流 的 问题 ，而且，开关速度不受影响，损耗就减少了。但 为了制造软开关，开通状态下的电压电流难免会作相应的变化(振荡)，增加通态损耗，由于导通压降不是很大，损耗不会增加很多。9/10吸收电路是将在元件开关过程中产生的

31、过压和过流等多余的能量吸收，并存储在储能元件里，等开关处于稳定状态时，再想办法把储存的能量反馈到电源和负载中，以提高逆变器的效率。采用无感母线可以减轻吸收电路的负担，简化吸收电路结构，降低吸收电阻功耗，减少逆变器的体积。上 述 介 绍 的 几 种 措施 的 采用 ，可 以 使 igbt 即 便 在高 开 关 频 率下 也 能安 全 、经济、可靠的运行。相关文章推荐：1、 IGBT应用中常见问题及解决方法2、 IGBT在 UPS 中的应用实例3、不间断电源中的 IGBT 应用总结4、 IGBT核心技术及人才缺失 工艺技术缺乏5、飞兆半导体 IGBT 特性分析6、总结我国 IGBT 企业未来发展五大突破口7、我国 IGBT 市场发展现况及前景预测分析8、如何正确地为太阳能逆变