功率器件IGBT应用中的常见问题解决方法

2013-01-14 14:51:51来源: 互联网

1 引言

80年代问世的绝缘双极性晶体管IGBT是一种新型的电力电子器件,它综合了gtr和MOSFET的优点,控制方便、开关速度快、工作频率高、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。

 

随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展,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。为解决以上问题,过电流保护、散热及减少线路电感等措施被积极采用,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[3]

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[5]

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。

 

ups逆变电源中的主要控制对象是逆变器,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[6]

 

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 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[1]。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npn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,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[2]。

 

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,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。

 

(2) 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压过冲

以线路电感lб≠0时电路进行分析,如图5所示,关断过程中,感性负载电流iб保持不变,即iб=it+id保持不变,it从零增大到iб。由于二极管d导通,voe=0,由于it随时间线性减小,电感lб两端感应电压vl=vbc=lбdit/dt应为负值,

 

vcb为正值, 即c点电位高于b点电位。

 

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期间,开关两端电压

 

vt=vcem=vd-vl=vd+lбi0/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5(b)所示。vcem超过vd的数值取决于lб、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lб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,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[7]。

 

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,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(1.2~1.5倍)的过载电流保护;

 

另一种是高倍数(8~10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[8]。

 

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[9]。

 

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端8脚 为低电平,以驱动外接保护电路工作,延时8~10μs封锁驱动信号,这样能很好地实现过流保护。经1~2ms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lб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,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[7]。

 

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[10]:

 

(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。

 

 

(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

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。

 

4.5 吸收电路

吸收电路,又称缓冲电路。它利用无源器件通过参数匹配使主开关管工作于零电压或零电流状态,达到抑制电力电子器件的关断时过电压、开通时过电流,减小器件的开关损耗的目的。吸收电路一般分为两类:

 

  (1) 吸收电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上,称其为耗能式吸收电路;

  (2) 若吸收电路能够将其储能元件的能量回馈给负载或电源,称其为能量回馈型吸收电路,或称为无损吸收电路。

 

传统的耗能式吸收电路把能量通过电阻泄放,主管开关损耗的降低以额外吸收损耗的增加为代价,而无损吸收技术能够将储能元件中的能量回馈至电源、负载或大幅削减其数值,大大增加吸收强度,达到软开关目的[4]。

 

 

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)[12]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)[11]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冲的作用; 图11(b)[13]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。

 

吸收电路是将在元件开关过程中产生的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。

 

以上几项措施的采用,使得IGBT即便在高开关频率下也能安全、经济、可靠的运行。


关键字:功率器件  IGBT

编辑:Gem 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/0114/article_17896.html
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