IGBT模块

　

概要：和电压低，开关频率高（可达20kHz）的特性。最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

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（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。最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最好抑制，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。

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