對(duì)IGBT管，G極不加電壓，就不形成導(dǎo)電溝道，C-E極電阻很大，因此，應(yīng)用數(shù)字萬用表電阻“×10kΩ”檔，測(cè)得C-E電阻近似為“∞”。在理論上C-E極電阻等于一個(gè)正向PN結(jié)電阻與一個(gè)反向PN結(jié)電阻串聯(lián)之和。一般IGBT管E-C極電阻為續(xù)流二極管正向電阻55kQ，C-E極電阻RCE≥107Ω。
IGBT管的二極管測(cè)量
由于絕緣柵雙極晶體管通常與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，因此在數(shù)字萬用表二極管檔，用紅表筆接“E”極，黑表筆接“C”極，應(yīng)有0.4V左右的二極管正向電壓降（對(duì)于一些沒有內(nèi)置二極管的型號(hào)，如GT40T101則沒有電壓降）。
對(duì)于IGBT管，若G極不加電壓，就不形成導(dǎo)電溝道，C-E極電阻很大，因此，將數(shù)字萬用表置二極管檔時(shí)，測(cè)得C-E為不導(dǎo)通。
E-C極二極管檔測(cè)量為續(xù)流二極管正向壓降0.3V。
1、IGBT的使用
(1)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是決定IGBT能否充分發(fā)揮其性能的關(guān)鍵。
保護(hù)電路是保證IGBT在過流和過壓等異常情況下避免受到損壞的重要措施，必須在充分了解器件特性的基礎(chǔ)上，配合器件的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(2)作結(jié)溫散熱設(shè)計(jì)
每個(gè)IGBT都有既定的最大容許結(jié)溫(Tj)，在工作時(shí)需要控制IGBT的結(jié)溫不超過這個(gè)最大容許結(jié)溫。一般而言，IGBT需要散熱器才能工作，要根據(jù)器件的損耗進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，保證結(jié)溫Tj不超過容許值。
首先，需要計(jì)算出IGBT在電路中的損耗。IGBT工作時(shí)的損耗包括兩大部分：一個(gè)是IGBT內(nèi)部晶體管的損耗，另外則是IGBT的反并聯(lián)二極管上的損耗。
IGBT內(nèi)部晶體管的損耗包括IGBT的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗（開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗，軟開關(guān)電路中這兩個(gè)損耗可能為零）。二極管上的損耗則包括二極管的導(dǎo)通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗。把所有的損耗相加即可得到IGBT工作時(shí)的總損耗，選擇最大的總損耗進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，IGBT工作時(shí)的最大結(jié)溫可以由下面的熱方程得到
式中，P∑為IGBT最大損耗功率；Rthjc為IGBT結(jié)到外殼間的熱阻；Rthcs為外殼到散熱器間的熱阻；Rthsa為散熱器到周圍空間之間的熱阻；Ta為外界溫度。根據(jù)上述公式，確定結(jié)溫Tj在容許值范圍內(nèi)選擇合適的散熱器。
(3)并聯(lián)連接
當(dāng)IGBT模塊用于控制大電流時(shí)，有時(shí)將器件并聯(lián)使用。器件并聯(lián)使用時(shí)，重要的是在設(shè)計(jì)時(shí)要使并聯(lián)連接的器件中通過等量的電流。一旦電流失去平衡，有可能由于電流集中流過某單個(gè)器件而使該器件損壞。
(4)保管和使用注意事項(xiàng)
電力電子設(shè)備的保管存放場(chǎng)所，以溫度為5～35℃、相對(duì)濕度為45%～75%最為適宜。特別是IGBT和功率晶體管等，如果處于非常干燥的區(qū)域中，需要用加濕器加濕。再者，如果使用自來水，則由于自來水中所含的氯元素會(huì)使電力電子設(shè)備的導(dǎo)線生銹，因此需注意使用純凈水或蒸餾水。避開產(chǎn)生腐蝕性氣體和塵埃多的場(chǎng)所。
在溫度急劇變化的場(chǎng)所，電力電子設(shè)備的表面容易結(jié)露，因此要避開此類場(chǎng)所，將其保管在溫度變化小的地方。
臨時(shí)放置半導(dǎo)體電子設(shè)備時(shí)，應(yīng)選擇不易產(chǎn)生靜電的容器。
(5)其他
在模塊的端子部位測(cè)定驅(qū)動(dòng)電壓( UCE)，并確認(rèn)已外加既定的電壓驅(qū)動(dòng)電路端的電壓與實(shí)際作用在IGBT上的電壓，可能有偏差。
通過產(chǎn)品的端子部位測(cè)定開通、關(guān)斷時(shí)的脈沖電壓。
務(wù)必在產(chǎn)品的絕對(duì)最大額定值（電壓、電流、溫度等）范圍內(nèi)使用。一旦超出絕對(duì)最大額定值，可能損壞器件。
IGBT應(yīng)在功率周期壽命以內(nèi)使用。
反偏柵極電壓-UGE不足時(shí)，可能引起誤觸發(fā)，為了避免誤觸發(fā)，需設(shè)定足夠的-UGE值（推
薦-15V)。
如果開通du/dt偏高，則對(duì)偏置支路的IGBT可能發(fā)生誤觸發(fā)。為了避免誤觸發(fā)，需在最適當(dāng)?shù)臇艠O觸發(fā)驅(qū)動(dòng)(+UGE、-UGE., RG等)條件下使用。
2、IGBT的保護(hù)電路
電力電子電路工作時(shí)，由于外部或操作失誤等原因，為了保證用電設(shè)備和用戶的安全，同時(shí)將由于非正常運(yùn)行造成的損失降到最小，需要在電力電子電路中設(shè)計(jì)保護(hù)電路。
IGBT常用的保護(hù)電路有兩種：過電流保護(hù)和過電壓保護(hù)。
2.1 過電流保護(hù)
IGBT的過電流往往是由于電路中的短路引起的。當(dāng)電路中發(fā)生短路時(shí)，IGBT集電極電流將急劇增加并超過額定值，集電極電流增加也引起IGBT集電極—發(fā)射極電壓UCE的上升，于是IGBT功率損耗增加。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于這種狀態(tài)，將使IGBT的結(jié)溫超過允許值而燒毀。
發(fā)生短路的原因可能有很多種，下面以一個(gè)三相逆變電路為例，介紹常見的短路狀態(tài)：
(1)支路短路
由于電路中IGBT或其反并聯(lián)二極管損壞造成短路，如圖28(a)所示。
(2)橋路直通短路
由于控制電路、驅(qū)動(dòng)電路故障或干擾引起的開關(guān)誤動(dòng)作造成同一橋臂上下兩個(gè)IGBT同時(shí)導(dǎo)通，如圖28(b)所示。
(3)輸出短路
由于裝配失誤或負(fù)載絕緣損壞造成短路，如圖28(c)所示。
(4)接地短路
由于配線等人為失誤造成接地短路，如圖28(d)所示。
2.2 過電流保護(hù)方法
為了實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)，需要進(jìn)行過電流狀態(tài)檢測(cè)。對(duì)IGBT而言，常用的過電流檢測(cè)方法有兩種：
電流傳感器檢測(cè)法與IGBT的飽和壓降檢測(cè)法。
(1)電流傳感器檢測(cè)法
通過在電路中加入電流傳感器，通過檢測(cè)電路中的電流，判斷IGBT是否過電流。通過此方法可以對(duì)電路的各種短路狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和區(qū)分，從而根據(jù)不同的短路狀態(tài)采取不同的保護(hù)策略，減小由于電路異常所造成的損失。
另外，如果過快地關(guān)斷IGBT中的過電流，將引起集電極與發(fā)射極之間發(fā)生過電壓，造成IGBT損壞。因此，在檢測(cè)出過電流以后，必須采取一定的策略關(guān)斷IGBT，使關(guān)斷過程落在反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)內(nèi)，即采取所謂“柔性關(guān)斷”。
(2)IGBT的飽和壓降檢測(cè)法
IGBT過電流時(shí)的飽和壓降UCE(sat)比正常工作時(shí)要高。
圖29是采用間接電壓法的過流保護(hù)電路，它是應(yīng)用IGBT過流時(shí)UCE值增大的原理來檢測(cè)IGBT的過流現(xiàn)象。M57959AL驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部電路能很好地完成軟關(guān)斷功能。電路中含有過電流信息的UCE經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD2檢測(cè)，直接送至M57959AL的集電極電壓監(jiān)測(cè)端子l，8腳輸出；通過U2光電耦合器，送到比較器U1A正相端與反相端的基準(zhǔn)電壓比較后輸出，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如果發(fā)生過流現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)器M57959AL的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避免集電極因過大的di/dt形成的過電壓尖峰脈沖損壞IGBT，同時(shí)也降低了干擾噪聲電平。
目前，大多數(shù)IGBT的專用驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)置了類似的保護(hù)電路。
2.3 過電壓保護(hù)
這里所講述的過電壓保護(hù)特指IGBT關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓抑制，不涉及具體電路中由于輸入、輸出或操作失誤等引起的過電壓而需要設(shè)計(jì)的保護(hù)電路。
因?yàn)镮GBT的關(guān)斷速度很快，IGBT關(guān)斷或其反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的di/dt，由于IGBT內(nèi)部引線或外部導(dǎo)線寄生電感的存在，引起很高的Ldi/dt電壓，即關(guān)斷浪涌電壓。當(dāng)這個(gè)電壓超過IGBT的正向耐壓值時(shí)，將造成IGBT過電壓擊穿而損壞。
常用的抑制IGBT關(guān)斷浪涌電壓的方法有以下幾種：
(1)在IGBT上安裝緩沖電路，在緩沖電路中使用可以吸收高頻浪涌電壓的薄膜電容器；
(2)調(diào)整IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的關(guān)斷偏置電壓-UCE和驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電阻RG，減小關(guān)斷時(shí)的di/dt；
(3)降低主電路和緩沖電路中的引線電感，盡量使用更粗、更短的導(dǎo)線；另外，使用平板配線（分層配線）方式也可以有效地降低引線電感。
IGBT的緩沖電路有兩種配置方法：一種是為每個(gè)IGBT單獨(dú)配置的緩沖電路；另一種是為多個(gè)IGBT安裝一個(gè)集中式的緩沖電路。
常用的單獨(dú)配置緩沖電路有RC緩沖電路、充放電型RC-VD緩沖電路和放電阻止型RC-VD緩沖電路。
RC緩沖電路如圖30所示。在IGBT的集電極和發(fā)射極之間并聯(lián)一個(gè)RC串聯(lián)支路，適用于斬波電路中。但是RC串聯(lián)支路在IGBT開通時(shí)將通過IGBT進(jìn)行放電，使得IGBT開通時(shí)電流增加，額外增加了IGBT負(fù)載；另外，RC緩沖電路中，每次關(guān)斷以后存儲(chǔ)在電容上的電能都將以熱的形式消耗掉，它的損耗較大，不適合高頻應(yīng)用。RC緩沖電路的損耗為
式中：Csunber，為緩沖電路電容；Ud為IGBT截止時(shí)所承受的正向壓降；fs為開關(guān)頻率。
式中：L為主電路寄生電感；Ic為IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流；Cs為緩沖電容值；Ud為直流電壓； fs為開關(guān)頻率。
放電阻止型RC-VD緩沖電路結(jié)構(gòu)如圖32所示。適合于對(duì)同一個(gè)橋臂兩個(gè)IGBT浪涌電壓的吸收。它能有效地消除IGBT關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓，而且緩沖電路的損耗相對(duì)前面兩種緩沖電路要小，也適合于高頻應(yīng)用場(chǎng)合。它的損耗可以由下面的公式計(jì)算得到
式中：L為主電路寄生電感；Ic為IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流；fs為開關(guān)頻率。
集中式緩沖電路適合于多個(gè)IGBT同時(shí)使用的場(chǎng)合，如圖33所示。在該圖中，通過在一個(gè)全橋逆變器的兩個(gè)輸出端子上并聯(lián)一個(gè)RC電路，可縱對(duì)四個(gè)IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓進(jìn)行吸收。
IGBT的原理與應(yīng)用――IGBT的選擇及保護(hù)
發(fā)布時(shí)間: 2013/08/16 人氣 :9421
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