IGBT模块-基础电子

精品文档-下载后可编辑IGBT模块-基础电子（1）IGBT的主要用途IGBT是先进的第三代功率模块，工作频率为1～20kHz，主要应用在变频器的主电路逆变器及一切逆变电路，即DC／AC变换中，如电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。问世迄今有十多年历史，几乎已替代一切其他功率器件，如SCR、GTO、GTR、MOSFET，双极型达林顿晶体管等。如今功率可高达1MW的低频应用中，单个器件电压可达4.0kY（PT结构）至6.5kV（NPT结构），电流可达1.5kA，是较为理想的功率模块。IGBT是电压型控制器件，具有输人阻抗高、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、功率容量大等优点。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，又因先进的加工技术使其具有通态饱和电压低，开关频率高（可达20kHz）的特性。近西门子公司新推出的低饱和压降（2.2V）的NPT－IGBT性能更佳，是继东芝、富士、IR、摩托罗拉等公司开发研制的新品种。IGBT的发展趋势是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠性、低成本，在高压变频器的发展方面，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的应用有关，所以世界各大器件公司都在努力研究、开发，预计2～3年内会有突破性的进展。目前适用于高压变频器的有电压型HV－ICBT、IGCT、电流型SGCT等。（2）关断浪涌电压关断浪涌电压是在关断瞬间，流过IGBT的电流被切断而产生的瞬时电压，它是因电动机感性负载L及电路中漏电感Lp而产生的。在极端情况下关断浪涌电压将导致器件的损坏。电路中的漏电感Lp由器件制造结构而定，因此要尽可能减小电感L，如合理分布排列，缩短导线长度，适当加宽减厚铜排尺寸等。（3）恢复浪涌电压续流二极管是为当ICBT下臂关断时，电感性电流在上臂续流提供通路（这时处正向导通），它将减小di／dt的值，防止产生过电压。但当下臂导通时，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，这时，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的di／dt值，可导致很高的瞬时电压出现。（4）缓冲电路缓冲电路是用以控制关断浪涌电压和恢复浪涌电压，减少模块的开关损耗及瞬时过电压值的。虽然IGBT具有强大的开关安全工作区，但仍需控制瞬时电压值，而缓冲电路在每次开关循环中都可通过IGBT放电，虽有一定功耗产生，但能确保使用的安全。常用的几种IGBT缓冲电路如图2－26所示。

图（a）中，缓冲电路仅由一个低电容量的电容器组成，对小功率单元模块，可接在C和E之间，对六合一封装模块可接P和N之间，此电路对减小瞬变电压有效、简单、成本低，适用小功率器件。图（b）中，缓冲电路使用快速二极管，可钳位瞬变电压，从而抑制与母线间的寄生电感，作减幅振荡。τ＝RC为时间常数，设为开关周期T的1／3（即τ=T／3＝1／3fz），适用于中功率器件。图（c）类似于图2（b），但具有更小的回路电感，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，适用于大功率器件。缓冲电路的具体推荐值见表2－14。

表2－14推荐的缓冲电路和功率电路设计

在直流母线电压较高的情况下，也许有必要对这些大电流双单元模块采用图（c）所示的缓冲电路。在这种情况下，可选用对单元模块给出的推荐组合。（5）减小功率电路的电感浪涌电压的能量与1／2LpI成正比，因此减小导线Lp是主要的，走线可选用多层正负交叉，宽扁形叠层母线，如大功率变频器的母排等，一般都采用上述方法，例如罗克韦尔A－B公司等变频器就是用这样的方法来减小

功率电路的电感。（6）接地回路形式当栅极G驱动或控制信号与主电路共用一个电流路径时，会导致产生接地回路，这可能出现本应是接地的电位，而实际有几伏的电位值，使本来偏置截止的器件可能导通，而造成误动作。因此在大功率IGBT应用中，或di／dt很高时，应避免接地回路噪声，故对不同容量的器件，有下述三种电路，如图2所示。

图2（a）是存在共地回路电位问题的，它的栅极电源地线与主电路（－）母线相通，适用于小于100A的六合一封装器件，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退耦电容的方法，能使接地回路噪声得到抑制，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声问题，效果更好，适用不

小于300A的模块。（7）IGBT的损耗损耗指IGBT在开通或关断过渡过程期间的功率损耗。当PWM信号频率大于5kHz时，开关损耗会非常显著，因此在使用变频器时，必须正确地选择载波频率值。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、电动机的噪声和振动等有关，因此按照不同功率的电动机和现场条件来正确选择载波频率值，也是变频器调试中的一个主要环节。（8）关于结温的大小IGBT模块的芯片额定结温是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，其控制值在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。也有用热敏电阻进行保护的。

（9）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，开始拧紧的次序如图3所示，①→②→③→④，终拧紧的次序是④→③→②→①。散热器表面要平整清洁，要求平面度不大于150μm，用力矩扳手（具体值可参见应用手册）。表面粗糙度不大于6μm，界面要涂传热导电膏，涂层要均匀，厚度约150μm。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。

（10）参数的合理选择参数的选择要适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。工作电压为50％～60％，在此条件下器件是安全的。制约因素有以下几点：1）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；

2）IGBT峰值电流是根据200％的过载和120％的电流脉动率来制定的；3）结温必须小于150℃。在具体选用时可查表。表常用的IGBT模块

1）开通电压为15（1±10％）V的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗，当小于12V时通态损耗加大，大于20V时难以实现过电流及短路保护。2）关断偏压在－5～－15V时出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗，值约为－10V。3）IGBT不适用于线性工作，只有极快开关工作时，栅极才可加较低（3～11V）电压。4）饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，希望越小越好，但价格就要高。饱和压降从1.7～4.05V，以每0.25～0.35V为一个等级，从C～M共10级。（11）栅极电阻Rg栅极电阻串接在栅极电路中（见图3），作用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的值对动态特性影响很大。

1）Rg值小。充放电较快，能减小开关时间和开关损耗，避免带来因du／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，增大了续流二极管（FWD）恢复时的浪涌电压。Rg具体值可参见表。

表推荐采用的栅极串联电阻

2）Rg值大。性能与上述相反。

栅极驱动电路的布线对抑制潜在振荡、减慢栅极电压上升、减小噪声损耗、降低栅极电压或减小栅极保护的效率有较大的影响。要注意事项如下：1）将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至。2）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。3）采用辅助发射极端子连接栅极驱动电路。4）当驱动板和ICBT控制端子不可能作直接连接时，建议采用双绞线（2转／cm，小于3cm长）或带状线、同轴线。5）栅极钳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。6）由于IGBT的开关会使相互电位改变，印制电路板的线条之间彼此不宜太近，过高的du／dt会由寄生电容产生耦合噪声。若布线无法避免交叉或平行时，必须采用屏蔽层加以保护。7）要减小各器件之间的寄生电容，避免产生耦合噪声。8）用光耦合器来隔离栅极驱动信号，其共模抑制比要在10.000V／μS。除上述外，栅极电路出现高压尖峰，一般在G、E极间并一个电阻Rge,再并两只反串的稳压二极管以使动作更可靠、安全、有效。Rge值在1000～5000Ω之间，如图2－29所示。（12）du／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，该电流使Uge增加，恶劣条件下达到阈值电压时，则IGBT将开通，导致上下臂同时开通使桥臂某一相短路，为防止这现象的发生要注意以下几点：1）在关断状态要加足够的负栅极电压，至少－5V。2）在关断时fi－为较低值（可见表2－17）。3）栅极电路的电感Lg应降至。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：1）通过电流传感器检测短路的发生。

2）欠饱和时，必须能测出短路到关断IGBT时间在10μs之内，常用的有三种方法：①控制关断：减少栅极电压（有分段或斜坡减少）增加沟道内阻。②Uge钳位：Uge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钳位。③减少tw：缩短短路持续时间，但这将使关断电流增大。（13）IGBT使用注意事项：1）栅极与任何导电区要保持绝缘，以免产生静电而击穿，所以包装时在G极和E极之间装有导电泡沫塑料，将它短接。装配时切不可用手指直接接触，直到G极引脚进行了性连接。2）主电路用螺钉拧紧，G极要用插件，尽可能不用焊接方式。3）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。4）仪器测量时，将100Ω电阻与G极串联。5）要在未连接电源时进行安装。6）焊接G极时，电烙铁要停电并接地，选用定温电烙铁合适。当手工焊接时，温度为260℃±5℃、时间为10s±Is，使用松香焊剂。波峰焊接时，印制电路板要预热到80～105℃，在245℃时浸人焊接3～4s，使用松香焊剂。（14）IGBT的串并联：1）并联目的是增大使用的工作电流，但器件要匹配，每模块的Uce之差小于0.3V。还要降流使用，对于不小于200A的模块，600V的降10％Ic，1200～1400V的降15％Ic，1700V的降20％Ic，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。2）串联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。针对这个问题成都佳灵公司提出了容性母板技术1＋N只串联动态电压钳位均压方式c若动态均压不佳，将造成串联臂各器件上的Uce电压不等，造成一个器件过电压，影响同一臂的一串器件电击穿。总之，IGBT的串、并联应尽量避免，不要以低电压小电流器件，通过串、并联解决高电压大电流的问题，这样的做法往往适得其反，而器件增多可靠性更差，电路也复杂，在不得已的条件下，要慎重。目前使用单个ICBT的电压或电流基本能满足用户的需要，随着电路的改进，将会有更高电压、更大电流的功率器件问世，这是必然的。（15）对IGBT的Uge与Uce的加压次序众所周知，变频器内部的测量电路、保护电路、驱动电路、转换电路、隔离电路、CPU、栅极电路等所使用的电子器件，如TTL、COMS、运算放大器、光耦合器等都是由开关电源提供所需的不同电压值。对ICBT来讲，Uge是由开关电源提供±（5～15）V电压，但Uce是由主电路经三相整流桥滤波后的DC电源提供的，为确保IGBT的使用安全及不误导通，故对Uge与Uce加电压次序有要求。必须是先加Uge且待稳定后（截止偏压-15V，导通偏压＋15V），再可加Uce。切莫当G极悬