PWM交流斩控技术的交流稳压电源设计3

1、摘 要近几年来，随着我国经济建设的发展，通信设备和通信网点在全国各地迅速增长，通信手段越来越先进。在各种程控数字交换设备和数字传输网得到广泛应用的同时，对系统供电设施的要求也越来越高。目前，国内的各类程控电源已相继投入市场，通信电源系统正在逐步向集中监控、少人职守或无人职守的方向发展1。早期的供电方式为集中供电，即供电设备集中和供电负载集中。这种方式的优点是：整流器、蓄电池、监控和配电设备都集中放置在配电室，各种电压的电池组都放置在电池室，因而供电容量大，且无须考虑电池兼容问题，供电设备的干扰也不会影响主通信设备。但是此种方式也有很多缺点：设备体积和重量较大，供电线路笨重，系统扩容困难。为改进

2、这些不足，分散供电方式逐渐得到广泛的使用。所谓分散供电，就是指供电设备有独立于其他供电设备的负载，即负载分散或电池与负载都分散。此种方式的优点包括：占地面积小，节省材料，较低的损耗，运行维护费用低，供电可靠性高等等。无论哪种方式供电，程控数字交换设备一般都以直流电源供电为主。直流电源又由基础电源和机架电源构成。基础电源是指包括整流器、蓄电池、监控和配电设备在内的直流供电系统。机架电源则是指交换机上的插件电源。对于基础电源来讲，为产生所需要的各种直流电压（一般为-48V，也有少量采用-24V），都需要将工频电网的单相220V或三相380V交流电压进行AC/DC和DC/DC变换。因此，变换器性能的

3、好坏直接关系到整个通信电源系统的供电质量。本设计利用PWM交流斩控技术,对传统的交流稳压电源进行了改进,性能照以往的稳压电源有了很大的提高。关键词 ： PWM IGBT 交流 稳压 电源1.电力电子技术概述1.1什么是电力电子技术 顾名思义，可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术量大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都是属于信息电子技术。电力电子技术是基于晶闸管、电力晶体管、IGBT等电力电子器件之上的，具体的说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。目前现代科技中所用的电力电子器件均由半导体制成，故也称电力

4、半导体器件。电力电子技术所变换的“电力”，功率可以大到数百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到数瓦甚至毫瓦级。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换，这是两张本质上的不同。1.2电力电子技术的发展史 现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件

5、,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 整流器时代 : 大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。 逆变器时代; 七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频

6、调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。变频器时代 : 进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中

7、小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础1.3电力电子技术作用(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到

8、合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微

9、电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。(4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。2.电力电子器件介绍2.1电力电子器件的概念 在电气设备或电力系

10、统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路被称为主电路。电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。同时，我们在学习电子技术基础时广泛接触的处理信息的电子器件一样，广义上电力电子器件也可分为电真空器件和半导体器件两类。但是，自20世纪50年代以来除了在频率很高的大功率高频电源中还在使用真空管外，基于半导体材料的电力电子器件已经逐步取代了以前的汞弧整流器、闸流管等电真空器件，成为电能变换和控制领域的绝对主力。因此，电力电子器件也往往专指电力半导体器件。与普通半导体器件一样，目前电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。2.2电力二极管 二极管，（英语：Diode），

11、电子元件当中，一种具有两个电极的装置，只允许电流由单一方向流过，许多的使用是应用其整流的功能。而变容二极管（Varicap Diode）则用来当作电子式的可调电容器。大部分二极管所具备的电流方向性我们通常称之为“整流（Rectifying）”功能。二极管最普遍的功能就是只允许电流由单一方向通过（称为顺向偏压），反向时阻断 （称为逆向偏压）。因此，二极管可以想成电子版的逆止阀。早期的真空电子二极管；它是一种能够单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n

12、结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性。早期的二极管包含“猫须晶体（Cats Whisker Crystals）”以及真空管(英国称为“热游离阀（Thermionic Valves）”)。现今最普遍的二极管大多是使用半导体材料如硅或锗图 a）电力二极管外形 b)基本结构 c)电气图形符号 图 电力二极管内部结构断面示意图2.3晶闸管的简介晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功

13、率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV6kA。 晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。 图1.2 a）晶闸管外形 b)内部结构 c)电气图形符号 d)模块外形图1.3 晶闸管的内部结构和等效电路1.晶闸管的基本特点有三个： （1）欲使晶闸管导通需具备两个条件有： 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压； 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。 (2) 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。 (3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现

14、。 2.晶闸管的工作特性 单向晶闸管的伏安特性曲线如图所示。从特性曲线上可以看出它分五个区，即反向击穿区、反向阻断区、正向阻断区、负阻区和正向导通区。大多数情况下，晶闸管的应用电路均工作在正向阻断和正向导通两个区域。晶闸管A、K极间所加的反向电压不能大于反向峰值电压，否则有可能便其烧毁。 单向晶闸管的上述特性，可以用以下几个主要参数来表征： 3.额定平均电流IT:在规定的条件下，晶闸管允许通过的50Hz正弦波电流的平均值。 4.正向转折电压VB0:是指在额定结温及控制极开路的条件下，在阳极和阴极间加以正弦波半波正向电压，使其由关断状态发生正向转折变为导通状态时所对应的电压峰值。 单向晶闸管伏安

15、特性曲线： 图1-1单向晶闸管伏安特性曲线5. 正向阻断峰值电压VDRM:定义为正向转折电压减去100V后的电压值。 6. 反向击穿电压VBR:是指在额定结温下，阳极和阴极间加以正弦波反向电压，当其反向漏电流急剧上升时所对应的电压峰值。7.反向峰值电压VRRM:定义为反向击穿电压减去1OOV后的电压值。 8.正向平均压降VT:是指在规定的条件下，当通过的电流为其额定电流时，晶闸管阳极、阴极间电压降的平均值。 9.维持电流IH:是指维持晶闸管导通的最小电流。 10. 控制极触发电压VCT和触发电流IGT:在规定的条件下，加在控制极上的可以使晶闸管导通的所必需的最小电压和电流。 11. 导通时间t

16、g(ton):从在晶闸管的控制极加上触发电压VGT开始到晶闸管导通，其导通电流达到90%时的这一段时间称为导通时间。 12. 关断时间tg(toff):从切断晶闸管的工向电流开始到控制极恢复控制能力的这一段时间称为关断时间。 此外，晶闸管还有一些其他参数，例如，为了使晶闸管能可靠地触发导通，对加在控制极上的触发脉冲宽度是有一定要求的;为使晶闸管能可靠地关断，对晶闸管的工作频率也有一定的规定;为避免晶闸管损坏，对控制极的反向电压也有一定的要求。2.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT）2.4.1IGBT基本介绍 绝缘栅双极型晶体管集MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路

17、简单、通态电压低、能承受高电压大电流等优点，已广泛应用于变频器和其他调速电路中。 图IGBT的构造和等值电路2.4.2 IGBT的工作原理 图 IGBT的工作原理图IGBT的等效电路如图2.2所示。由图2.2可知,若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFE截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。(1)导通IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似，主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层（NPT-非穿通-IGBT技术没有增

18、加这个部分），其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和N+ 区之间创建了一个J1结。当正栅偏压使栅极下面反演P基区时，一个N沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内，那么，J1将处于正向偏压，一些空穴注入N-区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流(MOSFET 电流)；空穴电流（双极）。uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。(2

19、）导通压降 电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。(3）关断 当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N-区内。在任何情况下，如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在N层内还存在少数的载流子（少子）。这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切

20、相关的空穴移动性有密切的关系。因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的，尾流特性与VCE、IC和 TC有关。栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。（4）反向阻断 当集电极被施加一个反向电压时，J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。（5）正向阻断 当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时，P/NJ3结受反向电压控制。此时，仍然是由N漂移区中的耗

21、尽层承受外部施加的电压。（6）闩锁 IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管。在特殊条件下，这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加，对等效MOSFET的控制能力降低，通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁，具体地说，这种缺陷的原因互不相同，与器件的状态有密切关系。通常情况下，静态和动态闩锁有如下主要区别：当晶闸管全部导通时，静态闩锁出现。只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分别改变布局和掺杂级别。二是降低NPN和PNP晶体管的

22、总电流增益。此外，闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响，因此，它与结温的关系也非常密切；在结温和增益提高的情况下，P基区的电阻率会升高，破坏了整体特性。因此，器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例，通常比例为1：5。2.2.3 IGBT的工作特性（1）静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态

23、下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。 最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的

24、PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用式（2.1）表示Uds(on) Uj1 Udr IdRoh （2.1）式中Uj1 JI 结的正向电压，其值为0.7 1V ；Udr 扩展电阻Rdr 上的压降；Roh 沟道电阻。通态电流Ids 可用下式（2.2）表示：Ids=(1+Bpnp)Imos （2.2）式中Imos 流过MOSFET 的电流。 由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 3V 。IGBT 处于断态时，只有

25、很小的泄漏电流存在。（2）动态特性 IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射

26、极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间为t(off)=td(off)+trv十t(f) （2.3）式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。 IGBT的开关速度低于MOSFET

27、，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日

28、本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1m以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。2.2.4 IGBT的发展历史 1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。2在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到

29、了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的3。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。 90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。4在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。 硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变，先是采用非穿通（NPT）结构，继而变化成弱穿通（LPT）结构，这就使安全工作区（SOA）得到同表面栅结构演变类似的改善

30、。 这次从穿通（PT）型技术先进到非穿通（NPT）型技术，是最基本的，也是很重大的概念变化。这就是：穿通（PT）技术会有比较高的载流子注入系数，而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面，非穿通（NPT）技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率，不过其载流子注入系数却比较低。进而言之，非穿通（NPT）技术又被软穿通（LPT）技术所代替，它类似于某些人所谓的“软穿通”（SPT）或“电场截止”（FS）型技术，这使得“成本性能”的综合效果得到进一步改善。 1996年，CSTBT（载流子储存的沟槽栅双极晶体管）使第5代IGBT模块得以实现6，它采用了弱穿通（LPT）芯片

31、结构，又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前，包括一种“反向阻断型”（逆阻型）功能或一种“反向导通型”（逆导型）功能的IGBT器件的新概念正在进行研究，以求得进一步优化。IGBT功率模块采用IC驱动，各种驱动保护电路，高性能IGBT芯片，新型封装技术，从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展，其产品水平为12001800A/18003300V，IPM除用于变频调速外，600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB，用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷

32、片多芯片模块技术组装PEBB，大大降低电路接线电感，提高系统效率，现已开发成功第二代IPEM，其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。2.2.5 IGBT的发展前景编辑 2010年，中国科学院微电子研究所成功研制国内首款可产业化IGBT芯片，由中国科学院微电子研究所设计研发的15-43A /1200V IGBT系列产品（采用Planar NPT器件结构）在华润微电子工艺平台上流片成功，各项参数均

33、达到设计要求，部分性能优于国外同类产品。这是我国国内首款自主研制可产业化的IGBT（绝缘栅双极晶体管）产品，标志着我国全国产化IGBT芯片产业化进程取得了重大突破，拥有了第一条专业的完整通过客户产品设计验证的IGBT工艺线。该科研成果主要面向家用电器应用领域，联合江苏矽莱克电子科技有限公司进行市场推广，目前正由国内著名的家电企业用户试用，微电子所和华润微电子将联合进一步推动国产自主IGBT产品的大批量生产2.2.6 保管时的注意事项 一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为535 ，常湿的规定在4575左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿; 尽量远离有腐

34、蚀性气体或灰尘较多的场合； 在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方； 保管时，须注意不要在IGBT模块上堆放重物； 装IGBT模块的容器，应选用不带静电的容器。 IGBT模块由于具有多种优良的特性，使它得到了快速的发展和普及，已应用到电力电子的各方各面。因此熟悉IGBT模块性能，了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。 在中大功率的开关电源装置中,IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点,已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中,由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下,使得它容易损坏,另外,

35、电源作为系统的前级,由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大,故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而,在选择IGBT时除了要作降额考虑外,对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。（1） IGBT栅极的保护 IGBT的栅极发射极驱动电压VGE的保证值为20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压,则可能会损坏IGBT,因此,在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外,若IGBT的栅极与发射极间开路,而在其集电极与发射极之间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在,使得栅极电位升高,集电极发射极有电流流过。

36、这时若集电极和发射极间处于高压状态时,可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开,在不被察觉的情况下给主电路加上电压,则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生,应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十k的电阻,此电阻应尽量靠近栅极与发射极。如图2.3所示。 图2.5 栅极保护电路 由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体,特别是其栅极为MOS结构,因此除了上述应有的保护之外,就像其他MOS结构器件一样,IGBT对于静电压也是十分敏感的,故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：在需要用手接触IGBT前,应先将人体上的静电放电后再进行操作

37、,并尽量不要接触模块的驱动端子部分,必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉。（2） 集电极与发射极间的过压保护 过电压的产生主要有两种情况,一种是施加到IGBT集电极发射极间的直流电压过高,另一种为集电极发射极上的浪涌电压过高。（3） 直流过电压 直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT时,进行降额设计;另外,可在检测出这一过压时分断IGBT的输入,保证IGBT的安全。（4） 浪涌电压的保护 因为电路中分布电感的存在,加之IGBT的开关速度较高,当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时,就会产生很大的浪涌电压Ldi/

38、dt,威胁IGBT的安全。通常IGBT的浪涌电压波形如图2.4所示。图中：vCE为IGBT?电极发射极间的电压波形;ic为IGBT的集电极电流;Ud为输入IGBT的直流电压;VCESP=UdLdic/dt,为浪涌电压峰值。如果VCESP超出IGBT的集电极发射极间耐压值VCES,就可能损坏IGBT。解决的办法主要有：在选取IGBT时考虑设计裕量;在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg,使di/dt尽可能小;尽量将电解电容靠近IGBT安装,以减小分布电感;根据情况加装缓冲保护电路,旁路高频浪涌电压。由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用,在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。图2

39、.6 IGBT的浪涌电压波形（5） 过热保护 一般情况下流过IGBT的电流较大,开关频率较高,故而器件的损耗也比较大,如果热量不能及时散掉,使得器件的结温Tj超过Tjmax,则IGBT可能损坏。 IGBT的功耗包括稳态功耗和动态动耗,其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。在进行热设计时,不仅要保证其在正常工作时能够充分散热,而且还要保证其在发生短时过载时,IGBT的结温也不超过Tjmax。当然,受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑,散热系统也不可能无限制地扩大。可在靠近IGBT处加装一温度继电器等,检测IGBT的工作温度。控制执行机构在发生异常时切断IGBT的输入,保护其安全。3.PWM交

40、流斩控技术的交流稳压电源设计3.1PWM控制技术简介 PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）。 PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 PWM控制电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压，改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行

41、调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，着是PWM控制中最简单的一种情况21 PWM控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.冲量即指窄脉冲的面积.这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同.如果把各输出波形用傅里叶变换分析,则其低频段非常相近,仅在高频段略有差异.例如图1a,b,c所示的三个窄脉冲形状不同,其中图1a为矩形脉冲,图1b为三角形脉冲,1c为正弦半波脉冲,但它们的面积(即冲量)都等于1,那么,当它们分别加在具有惯性的同一个

42、环节上时,其输出响应基本相同.当窄脉冲变为图1的单位脉冲函数(t)时,环节的响应即为该环节的脉冲过度函数.图1 图2a的电路是一个具体的例子.图中e(t)为电压窄脉冲,其形状和面积分别如图1的a,b,c,d所示,为电路的输入.该输入加在可以看成惯性环节的R-L电路上,设其电流i(t)为电路的输出.图2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形.从波形可以看出,在i(t)的上升段,脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同,但其下降段则几乎完全相同.脉冲越窄,各i(t)波形的差异也越小.如果周期性地施加上述脉冲,则响应i(t)也是周期性的.用傅里叶级数分解后将可看出,各i(t)在低频段的特性将非常接近,

43、仅在高频段有所不同.上述原理可以称之为面积等效原理,它是PWM控制技术的重要理论基础.下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波.把图3a的正弦半波分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形.这些脉冲宽度相等,都等于/N,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化.如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和图2相应的正弦波部分面积(冲量)相等,就得到图3b所示的脉冲序列.这就是PWM波形.可以看出,各脉冲的幅值相等,而宽度是按正弦规律变化的.根据面积

44、等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的.对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形.像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称SPWM波形.图3要改变等效输出正弦波的幅值是,只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可.PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种.由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波.如直流斩波电路及PWM逆变电路,其PWM波都是由直流电源产生,由于直流电源电压幅值基本恒定,因此PWM波是等幅的.不管是等幅PWM波还是不等幅PWM波,都是基于面积等效原理来进行控制的,因此其本质是相同的.上面所列举的PWM波都是由PWM电压波.除此之外,

45、也还有PWM电流波.例如,电流逆变电路的直流侧是电流源,如对其进行PWM控制,所得到的PWM波就是PWM电流波.直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形,SPWM波得到的是等效正弦波形。这些都是应用十分广泛的PWM波.PWM控制技术实际上主要是SPWM控制技术.除此之外, PWM波形还可以等效成其他所需要的波形,如等效成所需要的非正弦交流波形等,其基本原理和SPWM控制相同,也是基于等效面积原理.22 PWM交流斩控调压原理图4图4（a）所示，假定电路中各部分都是理想状态。开关S1为斩波开关，S2为考虑负载电感续流的开关，二者均为全控开关器件与二极管串联组成的单相开关见图4（b）。S1及S2不

46、允许同时导通，通常二者在开关时序上互补。定义输入电源电压u的周期T与开关周期Ts之比为电路工作载波比Kc，（Kc=T/Ts）。图4（c）表示主电路在稳态运行时的输出电压波形。显然输出电压uo为： (1)式中：E（t）为开关函数，其波形示于图4（c），函数由式（2）定义。 (2)在图4（a）电路条件下，则 (3)E（t）函数经傅立叶级数展开，可得 (4)式中：D=ton1/Ts，s=2/Ts，n=n/Ts；D为S1的占空比；ton1为一个开关周期中S1的导通时间。将式（4）代入式（3）可得： (5)式（5）表明，uo含有基波及各次谐波。谐波频率在开关频率及其整数倍两侧处分布，开关频率越高，谐波与

47、基波距离越远，越容易滤掉。在经LC滤波后，则有： (6)把输出电压基波幅值与输入电压基波幅值之比定义为调压电压增益，即： (7)由此可见电压增益等于占空比D，因此改变占空比就可以达到调压的目的。23 控制方案设计与工作原理一般情况下，PWM交流斩控调压器的控制方式与主电路模型、电路结构及相数有关。若采用互补控制，斩波开关和续流开关在换流过程中会出现短路，产生瞬时冲击电流；如设置换相死区时间，又可能造成换相死区时间内二个开关都不导通使负载开路，在有电感存在的情况下，会产生瞬时电压冲击。本方案采用有电压、电流相位检测的非互补控制方式，如图5所示。对相数而言本方案采用三相四线制，即用三个单相电路，组合成三相电源，这样可以避免相间干扰，保持各相电压输出稳定。图5由图6可见，V1，VD1与V2，VD2构成双向斩波开关，Vf1，VDf2与Vf2，VDf1构成双向续流开关；Lof及Cof分别为滤波电感、电容；u1为补偿变压器初级绕组两端电压，u2为向主电路补偿的电压。本方案采用了有电压、电流相位检测的非互补控制方式。图6为在RL负载下，这种非互补的斩波开关和续流开关门极驱动信号的时序配合及一个电源周期中输出电压的理想波形。由图6可见根据负载电压电流相位，一个电源工作周期可分为4个区间.上述工作状态，可用逻辑表达式表示为： （8）当U0时，U=1；当U0