PWM交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源設(shè)計3

1、摘 要近幾年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，通信設(shè)備和通信網(wǎng)點在全國各地迅速增長，通信手段越來越先進。在各種程控數(shù)字交換設(shè)備和數(shù)字傳輸網(wǎng)得到廣泛應(yīng)用的同時，對系統(tǒng)供電設(shè)施的要求也越來越高。目前，國內(nèi)的各類程控電源已相繼投入市場，通信電源系統(tǒng)正在逐步向集中監(jiān)控、少人職守或無人職守的方向發(fā)展1。早期的供電方式為集中供電，即供電設(shè)備集中和供電負載集中。這種方式的優(yōu)點是：整流器、蓄電池、監(jiān)控和配電設(shè)備都集中放置在配電室，各種電壓的電池組都放置在電池室，因而供電容量大，且無須考慮電池兼容問題，供電設(shè)備的干擾也不會影響主通信設(shè)備。但是此種方式也有很多缺點：設(shè)備體積和重量較大，供電線路笨重，系統(tǒng)擴容困難。為改進

2、這些不足，分散供電方式逐漸得到廣泛的使用。所謂分散供電，就是指供電設(shè)備有獨立于其他供電設(shè)備的負載，即負載分散或電池與負載都分散。此種方式的優(yōu)點包括：占地面積小，節(jié)省材料，較低的損耗，運行維護費用低，供電可靠性高等等。無論哪種方式供電，程控數(shù)字交換設(shè)備一般都以直流電源供電為主。直流電源又由基礎(chǔ)電源和機架電源構(gòu)成?；A(chǔ)電源是指包括整流器、蓄電池、監(jiān)控和配電設(shè)備在內(nèi)的直流供電系統(tǒng)。機架電源則是指交換機上的插件電源。對于基礎(chǔ)電源來講，為產(chǎn)生所需要的各種直流電壓（一般為-48V，也有少量采用-24V），都需要將工頻電網(wǎng)的單相220V或三相380V交流電壓進行AC/DC和DC/DC變換。因此，變換器性能的

3、好壞直接關(guān)系到整個通信電源系統(tǒng)的供電質(zhì)量。本設(shè)計利用PWM交流斬控技術(shù),對傳統(tǒng)的交流穩(wěn)壓電源進行了改進,性能照以往的穩(wěn)壓電源有了很大的提高。關(guān)鍵詞 ： PWM IGBT 交流 穩(wěn)壓 電源1.電力電子技術(shù)概述1.1什么是電力電子技術(shù) 顧名思義，可以認為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)量大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都是屬于信息電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是基于晶閘管、電力晶體管、IGBT等電力電子器件之上的，具體的說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。目前現(xiàn)代科技中所用的電力電子器件均由半導體制成，故也稱電力

4、半導體器件。電力電子技術(shù)所變換的“電力”，功率可以大到數(shù)百兆瓦甚至吉瓦，也可以小到數(shù)瓦甚至毫瓦級。信息電子技術(shù)主要用于信息處理，而電力電子技術(shù)則主要用于電力變換，這是兩張本質(zhì)上的不同。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件

5、,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進入現(xiàn)代電力電子時代。 整流器時代 : 大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產(chǎn)物。 逆變器時代; 七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻

6、調(diào)速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)?。這時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。變頻器時代 : 進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中

7、小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)1.3電力電子技術(shù)作用(1) 優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術(shù)對電能的處理，使電能的使用達到

8、合理、高效和節(jié)約，實現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，在節(jié)電方面，針對風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、輕工造紙、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電焊、化工、電解等14個方面的調(diào)查，潛在節(jié)電總量相當于1990年全國發(fā)電量的16%，所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施，一般節(jié)能效果可達10%-40%，我國已將許多裝置列入節(jié)能的推廣應(yīng)用項目。(2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。據(jù)發(fā)達國家預(yù)測，今后將有95%的電能要經(jīng)電力電子技術(shù)處理后再使用，即工業(yè)和民用的各種機電設(shè)備中，有95%與電力電子產(chǎn)業(yè)有關(guān)，特別是，電力電子技術(shù)是弱電控制強電的媒體，是機電設(shè)備與計算機之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微

9、電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機作用的保證和基礎(chǔ)。(3) 電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實現(xiàn)最佳工作效率，將使機電設(shè)備的體積減小幾倍、幾十倍，響應(yīng)速度達到高速化，并能適應(yīng)任何基準信號，實現(xiàn)無噪音且具有全新的功能和用途。(4) 電力電子智能化的進展，在一定程度上將信息處理與功率處理合一，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。有人甚至提出，電子學的下一項革命將發(fā)生在以工業(yè)設(shè)備和電網(wǎng)為對象的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子技術(shù)將把人們帶到第二次電子革命的邊緣。2.電力電子器件介紹2.1電力電子器件的概念 在電氣設(shè)備或電力系

10、統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務(wù)的電路被稱為主電路。電力電子器件是指可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。同時，我們在學習電子技術(shù)基礎(chǔ)時廣泛接觸的處理信息的電子器件一樣，廣義上電力電子器件也可分為電真空器件和半導體器件兩類。但是，自20世紀50年代以來除了在頻率很高的大功率高頻電源中還在使用真空管外，基于半導體材料的電力電子器件已經(jīng)逐步取代了以前的汞弧整流器、閘流管等電真空器件，成為電能變換和控制領(lǐng)域的絕對主力。因此，電力電子器件也往往專指電力半導體器件。與普通半導體器件一樣，目前電力半導體器件所采用的主要材料仍然是硅。2.2電力二極管 二極管，（英語：Diode），

11、電子元件當中，一種具有兩個電極的裝置，只允許電流由單一方向流過，許多的使用是應(yīng)用其整流的功能。而變?nèi)荻O管（Varicap Diode）則用來當作電子式的可調(diào)電容器。大部分二極管所具備的電流方向性我們通常稱之為“整流（Rectifying）”功能。二極管最普遍的功能就是只允許電流由單一方向通過（稱為順向偏壓），反向時阻斷 （稱為逆向偏壓）。因此，二極管可以想成電子版的逆止閥。早期的真空電子二極管；它是一種能夠單向傳導電流的電子器件。在半導體二極管內(nèi)部有一個PN結(jié)兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的傳導性。一般來講，晶體二極管是一個由p型半導體和n型半導體燒結(jié)形成的p-n

12、結(jié)界面。在其界面的兩側(cè)形成空間電荷層，構(gòu)成自建電場。當外加電壓等于零時，由于p-n 結(jié)兩邊載流子的濃度差引起擴散電流和由自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)，這也是常態(tài)下的二極管特性。早期的二極管包含“貓須晶體（"Cat's Whisker" Crystals）”以及真空管(英國稱為“熱游離閥（Thermionic Valves）”)?，F(xiàn)今最普遍的二極管大多是使用半導體材料如硅或鍺圖 a）電力二極管外形 b)基本結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號 圖 電力二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖2.3晶閘管的簡介晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR,

13、普通晶閘管是一種具有開關(guān)作用的大功率半導體器件。目前，晶閘管的容量水平已達8kV6kA。 晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。常見晶閘管的外形有兩種：螺栓型和平板型。 圖1.2 a）晶閘管外形 b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號 d)模塊外形圖1.3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路1.晶閘管的基本特點有三個： （1）欲使晶閘管導通需具備兩個條件有： 應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓； 應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。 (2) 晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。 (3) 為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使

14、陽極電壓減小到零或反向的方法來實現(xiàn)。 2.晶閘管的工作特性 單向晶閘管的伏安特性曲線如圖所示。從特性曲線上可以看出它分五個區(qū)，即反向擊穿區(qū)、反向阻斷區(qū)、正向阻斷區(qū)、負阻區(qū)和正向?qū)▍^(qū)。大多數(shù)情況下，晶閘管的應(yīng)用電路均工作在正向阻斷和正向?qū)▋蓚€區(qū)域。晶閘管A、K極間所加的反向電壓不能大于反向峰值電壓，否則有可能便其燒毀。 單向晶閘管的上述特性，可以用以下幾個主要參數(shù)來表征： 3.額定平均電流IT:在規(guī)定的條件下，晶閘管允許通過的50Hz正弦波電流的平均值。 4.正向轉(zhuǎn)折電壓VB0:是指在額定結(jié)溫及控制極開路的條件下，在陽極和陰極間加以正弦波半波正向電壓，使其由關(guān)斷狀態(tài)發(fā)生正向轉(zhuǎn)折變?yōu)閷顟B(tài)時

15、所對應(yīng)的電壓峰值。 單向晶閘管伏安特性曲線： 圖1-1單向晶閘管伏安特性曲線5. 正向阻斷峰值電壓VDRM:定義為正向轉(zhuǎn)折電壓減去100V后的電壓值。 6. 反向擊穿電壓VBR:是指在額定結(jié)溫下，陽極和陰極間加以正弦波反向電壓，當其反向漏電流急劇上升時所對應(yīng)的電壓峰值。7.反向峰值電壓VRRM:定義為反向擊穿電壓減去1OOV后的電壓值。 8.正向平均壓降VT:是指在規(guī)定的條件下，當通過的電流為其額定電流時，晶閘管陽極、陰極間電壓降的平均值。 9.維持電流IH:是指維持晶閘管導通的最小電流。 10. 控制極觸發(fā)電壓VCT和觸發(fā)電流IGT:在規(guī)定的條件下，加在控制極上的可以使晶閘管導通的所必需的最

16、小電壓和電流。 11. 導通時間tg(ton):從在晶閘管的控制極加上觸發(fā)電壓VGT開始到晶閘管導通，其導通電流達到90%時的這一段時間稱為導通時間。 12. 關(guān)斷時間tg(toff):從切斷晶閘管的工向電流開始到控制極恢復控制能力的這一段時間稱為關(guān)斷時間。 此外，晶閘管還有一些其他參數(shù)，例如，為了使晶閘管能可靠地觸發(fā)導通，對加在控制極上的觸發(fā)脈沖寬度是有一定要求的;為使晶閘管能可靠地關(guān)斷，對晶閘管的工作頻率也有一定的規(guī)定;為避免晶閘管損壞，對控制極的反向電壓也有一定的要求。2.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）2.4.1IGBT基本介紹 絕緣柵雙極型晶體管集MOSFET和GTR的優(yōu)點于一身，具

17、有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單、通態(tài)電壓低、能承受高電壓大電流等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于變頻器和其他調(diào)速電路中。 圖IGBT的構(gòu)造和等值電路2.4.2 IGBT的工作原理 圖 IGBT的工作原理圖IGBT的等效電路如圖2.2所示。由圖2.2可知,若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFE截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。(1)導通IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個N+ 緩沖層（

18、NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個部分），其中一個MOSFET驅(qū)動兩個雙極器件?；膽?yīng)用在管體的P+和N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個J1結(jié)。當正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時，一個N溝道形成，同時出現(xiàn)一個電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導通的總損耗，并啟動了第二個電荷流。最后的結(jié)果是，在半導體層次內(nèi)臨時出現(xiàn)兩種不同的電流拓撲：一個電子流(MOSFET 電流)；空穴電流（雙極）。uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體

19、管提供基極電流，IGBT導通。(2）導通壓降 電導調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。(3）關(guān)斷 當在柵極施加一個負偏壓或柵壓低于門限值時，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因為換向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓撲，層次厚度和溫度。少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值

20、應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計上的電流的不理想效應(yīng)是可行的，尾流特性與VCE、IC和 TC有關(guān)。柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。（4）反向阻斷 當集電極被施加一個反向電壓時，J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴展。因過多地降低這個層面的厚度，將無法取得一個有效的阻斷能力，所以，這個機制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。（5）正向阻斷 當柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個正電壓時，P/NJ3結(jié)受反向電壓

21、控制。此時，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。（6）閂鎖 IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件擊穿問題。晶閘管導通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：當晶閘管全部導通時，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。只在關(guān)斷時才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴重地限制了安全操作區(qū)。為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，有必要采取以下措施：一是防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級

22、別。二是降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。2.2.3 IGBT的工作特性（1）靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)

23、2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔，反向電壓由J1結(jié)承擔。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。  IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。 最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。  IGBT 的開關(guān)特性是指漏極

24、電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導通態(tài)時，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓Uds(on) 可用式（2.1）表示 Uds(on) Uj1 Udr IdRoh  （2.1）式中Uj1 JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 1V ；Udr 擴展電阻Rdr 上的壓降；Roh 溝道電阻。 通態(tài)電流Ids 可用下式（2.2）表示： Ids=(1+Bpnp)Imos  （2.2）式中Imos 流過MOSFET 的電流。  由

25、于N+ 區(qū)存在電導調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時，只有很小的泄漏電流存在。（2）動態(tài)特性 IGBT 在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET 來運行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on) 為開通延遲時間， tri 為電流上升時間。實際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降時間由tfe1 和tfe2 組成。 IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動

26、電路產(chǎn)生。當選擇這些驅(qū)動電路時，必須基于以下的參數(shù)來進行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因為IGBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動技術(shù)進行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動電路提供的偏壓更高。 IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因為MOSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間，td(off)為關(guān)斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流

27、的關(guān)斷時間為 t(off)=td(off)+trv十t(f) （2.3）式中，td(off)與trv之和又稱為存儲時間。  IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時不需要負柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約34V，和MOSFET相當。IGBT導通時的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。 正式商用的IGBT器件的電壓和電流容量還很有限，遠遠不能滿足電力電子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需求；高壓領(lǐng)域的許多應(yīng)用中，要求器件的電壓等級達到10KV以上，目前只能通過IGB

28、T高壓串聯(lián)等技術(shù)來實現(xiàn)高壓應(yīng)用。國外的一些廠家如瑞士ABB公司采用軟穿通原則研制出了8KV的IGBT器件，德國的EUPEC生產(chǎn)的6500V/600A高壓大功率IGBT器件已經(jīng)獲得實際應(yīng)用，日本東芝也已涉足該領(lǐng)域。與此同時，各大半導體生產(chǎn)廠商不斷開發(fā)IGBT的高耐壓、大電流、高速、低飽和壓降、高可靠性、低成本技術(shù)，主要采用1m以下制作工藝，研制開發(fā)取得一些新進展。2.2.4 IGBT的發(fā)展歷史 1979年，MOS柵功率開關(guān)器件作為IGBT概念的先驅(qū)即已被介紹到世間。這種器件表現(xiàn)為一個類晶閘管的結(jié)構(gòu)（P-N-P-N四層組成），其特點是通過強堿濕法刻蝕工藝形成了V形槽柵。 80年代初期，用

29、于功率MOSFET制造技術(shù)的DMOS（雙擴散形成的金屬-氧化物-半導體）工藝被采用到IGBT中來。2在那個時候，硅芯片的結(jié)構(gòu)是一種較厚的NPT（非穿通）型設(shè)計。后來，通過采用PT（穿通）型結(jié)構(gòu)的方法得到了在參數(shù)折衷方面的一個顯著改進，這是隨著硅片上外延的技術(shù)進步，以及采用對應(yīng)給定阻斷電壓所設(shè)計的n+緩沖層而進展的3。幾年當中，這種在采用PT設(shè)計的外延片上制備的DMOS平面柵結(jié)構(gòu)，其設(shè)計規(guī)則從5微米先進到3微米。 90年代中期，溝槽柵結(jié)構(gòu)又返回到一種新概念的IGBT，它是采用從大規(guī)模集成（LSI）工藝借鑒來的硅干法刻蝕技術(shù)實現(xiàn)的新刻蝕工藝，但仍然是穿通（PT）型芯片結(jié)構(gòu)。4在這種溝槽結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)

30、了在通態(tài)電壓和關(guān)斷時間之間折衷的更重要的改進。  硅芯片的重直結(jié)構(gòu)也得到了急劇的轉(zhuǎn)變，先是采用非穿通（NPT）結(jié)構(gòu)，繼而變化成弱穿通（LPT）結(jié)構(gòu)，這就使安全工作區(qū)（SOA）得到同表面柵結(jié)構(gòu)演變類似的改善。  這次從穿通（PT）型技術(shù)先進到非穿通（NPT）型技術(shù)，是最基本的，也是很重大的概念變化。這就是：穿通（PT）技術(shù)會有比較高的載流子注入系數(shù)，而由于它要求對少數(shù)載流子壽命進行控制致使其輸運效率變壞。另一方面，非穿通（NPT）技術(shù)則是基于不對少子壽命進行殺傷而有很好的輸運效率，不過其載流子注入系數(shù)卻比較低。進而言之，非穿通（NPT）技術(shù)又被軟穿通（LPT）技術(shù)所代替，它類

31、似于某些人所謂的“軟穿通”（SPT）或“電場截止”（FS）型技術(shù)，這使得“成本性能”的綜合效果得到進一步改善。  1996年，CSTBT（載流子儲存的溝槽柵雙極晶體管）使第5代IGBT模塊得以實現(xiàn)6，它采用了弱穿通（LPT）芯片結(jié)構(gòu)，又采用了更先進的寬元胞間距的設(shè)計。目前，包括一種“反向阻斷型”（逆阻型）功能或一種“反向?qū)ㄐ汀保鎸停┕δ艿腎GBT器件的新概念正在進行研究，以求得進一步優(yōu)化。 IGBT功率模塊采用IC驅(qū)動，各種驅(qū)動保護電路，高性能IGBT芯片，新型封裝技術(shù)，從復合功率模塊PIM發(fā)展到智能功率模塊IPM、電力電子積木PEBB、電力模塊IPEM。PIM向高壓

32、大電流發(fā)展，其產(chǎn)品水平為12001800A/18003300V，IPM除用于變頻調(diào)速外，600A/2000V的IPM已用于電力機車VVVF逆變器。平面低電感封裝技術(shù)是大電流IGBT模塊為有源器件的PEBB，用于艦艇上的導彈發(fā)射裝置。IPEM采用共燒瓷片多芯片模塊技術(shù)組裝PEBB，大大降低電路接線電感，提高系統(tǒng)效率，現(xiàn)已開發(fā)成功第二代IPEM，其中所有的無源元件以埋層方式掩埋在襯底中。智能化、模塊化成為IGBT發(fā)展熱點。 現(xiàn)在,大電流高電壓的IGBT已模塊化,它的驅(qū)動電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外,現(xiàn)在已制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動電路.其性能更好,整機的可靠性更高及體積更小。2

33、.2.5 IGBT的發(fā)展前景編輯 2010年，中國科學院微電子研究所成功研制國內(nèi)首款可產(chǎn)業(yè)化IGBT芯片，由中國科學院微電子研究所設(shè)計研發(fā)的15-43A /1200V IGBT系列產(chǎn)品（采用Planar NPT器件結(jié)構(gòu)）在華潤微電子工藝平臺上流片成功，各項參數(shù)均達到設(shè)計要求，部分性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。這是我國國內(nèi)首款自主研制可產(chǎn)業(yè)化的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）產(chǎn)品，標志著我國全國產(chǎn)化IGBT芯片產(chǎn)業(yè)化進程取得了重大突破，擁有了第一條專業(yè)的完整通過客戶產(chǎn)品設(shè)計驗證的IGBT工藝線。該科研成果主要面向家用電器應(yīng)用領(lǐng)域，聯(lián)合江蘇矽萊克電子科技有限公司進行市場推廣，目前正由國內(nèi)著名的家電企業(yè)用戶試用

34、，微電子所和華潤微電子將聯(lián)合進一步推動國產(chǎn)自主IGBT產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)2.2.6 保管時的注意事項 一般保存IGBT模塊的場所，應(yīng)保持常溫常濕狀態(tài)，不應(yīng)偏離太大。常溫的規(guī)定為535 ，常濕的規(guī)定在4575左右。在冬天特別干燥的地區(qū)，需用加濕機加濕; 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合； 在溫度發(fā)生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結(jié)露水的現(xiàn)象，因此IGBT模塊應(yīng)放在溫度變化較小的地方； 保管時，須注意不要在IGBT模塊上堆放重物； 裝IGBT模塊的容器，應(yīng)選用不帶靜電的容器。  IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應(yīng)用到電力電子的各方各面。因此熟悉I

35、GBT模塊性能，了解選擇及使用時的注意事項對實際中的應(yīng)用是十分必要的。 在中大功率的開關(guān)電源裝置中,IGBT由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點,已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關(guān)電源裝置中,由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它容易損壞,另外,電源作為系統(tǒng)的前級,由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大,故IGBT的可靠性直接關(guān)系到電源的可靠性。因而,在選擇IGBT時除了要作降額考慮外,對IGBT的保護設(shè)計也是電源設(shè)計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)。（1） IGBT柵極的保護 IGBT的柵極發(fā)射極驅(qū)動電壓VGE的保證值為±20V,如果在它的柵極與

36、發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓,則可能會損壞IGBT,因此,在IGBT的驅(qū)動電路中應(yīng)當設(shè)置柵壓限幅電路。另外,若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極發(fā)射極有電流流過。這時若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時,可能會使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開,在不被察覺的情況下給主電路加上電壓,則IGBT就可能會損壞。為防止此類情況發(fā)生,應(yīng)在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十k的電阻,此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極。如圖2.3所示。 圖2.5 柵極保護電路

37、由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體,特別是其柵極為MOS結(jié)構(gòu),因此除了上述應(yīng)有的保護之外,就像其他MOS結(jié)構(gòu)器件一樣,IGBT對于靜電壓也是十分敏感的,故而對IGBT進行裝配焊接作業(yè)時也必須注意以下事項：在需要用手接觸IGBT前,應(yīng)先將人體上的靜電放電后再進行操作,并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動端子部分,必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉。（2） 集電極與發(fā)射極間的過壓保護 過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況,一種是施加到IGBT集電極發(fā)射極間的直流電壓過高,另一種為集電極發(fā)射極上的浪涌電壓過高。（3） 直流過電壓 直流過壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入

38、發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時,進行降額設(shè)計;另外,可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入,保證IGBT的安全。（4） 浪涌電壓的保護 因為電路中分布電感的存在,加之IGBT的開關(guān)速度較高,當IGBT關(guān)斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時,就會產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt,威脅IGBT的安全。通常IGBT的浪涌電壓波形如圖2.4所示。圖中：vCE為IGBT?電極發(fā)射極間的電壓波形;ic為IGBT的集電極電流;Ud為輸入IGBT的直流電壓;VCESP=UdLdic/dt,為浪涌電壓峰值。如果VCESP超出IGBT的集電極發(fā)射極間耐壓值VCES,就可能損壞IGBT。解決的辦法主要

39、有：在選取IGBT時考慮設(shè)計裕量;在電路設(shè)計時調(diào)整IGBT驅(qū)動電路的Rg,使di/dt盡可能小;盡量將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;根據(jù)情況加裝緩沖保護電路,旁路高頻浪涌電壓。由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用,在此將緩沖保護電路的類型和特點作一介紹。圖2.6 IGBT的浪涌電壓波形（5） 過熱保護 一般情況下流過IGBT的電流較大,開關(guān)頻率較高,故而器件的損耗也比較大,如果熱量不能及時散掉,使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax,則IGBT可能損壞。 IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動態(tài)動耗,其動態(tài)功耗又包括開通功耗和關(guān)斷功耗。在進行熱設(shè)計時,不僅要保證其在正常工作時能夠

40、充分散熱,而且還要保證其在發(fā)生短時過載時,IGBT的結(jié)溫也不超過Tjmax。當然,受設(shè)備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮,散熱系統(tǒng)也不可能無限制地擴大。可在靠近IGBT處加裝一溫度繼電器等,檢測IGBT的工作溫度?？刂茍?zhí)行機構(gòu)在發(fā)生異常時切斷IGBT的輸入,保護其安全。3.PWM交流斬控技術(shù)的交流穩(wěn)壓電源設(shè)計3.1PWM控制技術(shù)簡介 PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。 PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，

41、它使電力電子裝置的性能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。 PWM控制電路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓，改變脈沖的占空比就是對脈沖寬度進行調(diào)制，只是因為輸入電壓和所需要的輸出電壓都是直流電壓，因此脈沖既是等幅的，也是等寬的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制，著是PWM控制中最簡單的一種情況21 PWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同.沖量即指窄脈沖的面積.這里所說的效果基本

42、相同,是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同.如果把各輸出波形用傅里葉變換分析,則其低頻段非常相近,僅在高頻段略有差異.例如圖1a,b,c所示的三個窄脈沖形狀不同,其中圖1a為矩形脈沖,圖1b為三角形脈沖,1c為正弦半波脈沖,但它們的面積(即沖量)都等于1,那么,當它們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時,其輸出響應(yīng)基本相同.當窄脈沖變?yōu)閳D1的單位脈沖函數(shù)(t)時,環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過度函數(shù).圖1 圖2a的電路是一個具體的例子.圖中e(t)為電壓窄脈沖,其形狀和面積分別如圖1的a,b,c,d所示,為電路的輸入.該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的R-L電路上,設(shè)其電流i(t)為電路的輸出.圖2b給出了不同

43、窄脈沖時i(t)的響應(yīng)波形.從波形可以看出,在i(t)的上升段,脈沖形狀不同時i(t)的形狀也略有不同,但其下降段則幾乎完全相同.脈沖越窄,各i(t)波形的差異也越小.如果周期性地施加上述脈沖,則響應(yīng)i(t)也是周期性的.用傅里葉級數(shù)分解后將可看出,各i(t)在低頻段的特性將非常接近,僅在高頻段有所不同.上述原理可以稱之為面積等效原理,它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ).下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波.把圖3a的正弦半波分成N等份,就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列所組成的波形.這些脈沖寬度相等,都等于/N,但幅值不等,且脈沖頂部不是水平直線,而是曲線,各脈沖

44、的幅值按正弦規(guī)律變化.如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替,使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合,且使矩形脈沖和圖2相應(yīng)的正弦波部分面積(沖量)相等,就得到圖3b所示的脈沖序列.這就是PWM波形.可以看出,各脈沖的幅值相等,而寬度是按正弦規(guī)律變化的.根據(jù)面積等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的.對于正弦波的負半周,也可以用同樣的方法得到PWM波形.像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱SPWM波形.圖3要改變等效輸出正弦波的幅值是,只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可.PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種.由直流電源產(chǎn)生

45、的PWM波通常是等幅PWM波.如直流斬波電路及PWM逆變電路,其PWM波都是由直流電源產(chǎn)生,由于直流電源電壓幅值基本恒定,因此PWM波是等幅的.不管是等幅PWM波還是不等幅PWM波,都是基于面積等效原理來進行控制的,因此其本質(zhì)是相同的.上面所列舉的PWM波都是由PWM電壓波.除此之外,也還有PWM電流波.例如,電流逆變電路的直流側(cè)是電流源,如對其進行PWM控制,所得到的PWM波就是PWM電流波.直流斬波電路得到的PWM波是等效直流波形,SPWM波得到的是等效正弦波形。這些都是應(yīng)用十分廣泛的PWM波.PWM控制技術(shù)實際上主要是SPWM控制技術(shù).除此之外, PWM波形還可以等效成其他所需要的波形,

46、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,也是基于等效面積原理.22 PWM交流斬控調(diào)壓原理圖4圖4（a）所示，假定電路中各部分都是理想狀態(tài)。開關(guān)S1為斬波開關(guān)，S2為考慮負載電感續(xù)流的開關(guān)，二者均為全控開關(guān)器件與二極管串聯(lián)組成的單相開關(guān)見圖4（b）。S1及S2不允許同時導通，通常二者在開關(guān)時序上互補。定義輸入電源電壓u的周期T與開關(guān)周期Ts之比為電路工作載波比Kc，（Kc=T/Ts）。圖4（c）表示主電路在穩(wěn)態(tài)運行時的輸出電壓波形。顯然輸出電壓uo為： (1)式中：E（t）為開關(guān)函數(shù)，其波形示于圖4（c），函數(shù)由式（2）定義。 (2)在圖4（a）電路條件下，則 (3)E

47、（t）函數(shù)經(jīng)傅立葉級數(shù)展開，可得 (4)式中：D=ton1/Ts，s=2/Ts，n=n/Ts；D為S1的占空比；ton1為一個開關(guān)周期中S1的導通時間。將式（4）代入式（3）可得： (5)式（5）表明，uo含有基波及各次諧波。諧波頻率在開關(guān)頻率及其整數(shù)倍兩側(cè)±處分布，開關(guān)頻率越高，諧波與基波距離越遠，越容易濾掉。在經(jīng)LC濾波后，則有： (6)把輸出電壓基波幅值與輸入電壓基波幅值之比定義為調(diào)壓電壓增益，即： (7)由此可見電壓增益等于占空比D，因此改變占空比就可以達到調(diào)壓的目的。23 控制方案設(shè)計與工作原理一般情況下，PWM交流斬控調(diào)壓器的控制方式與主電路模型、電路結(jié)構(gòu)及相數(shù)有關(guān)。若采

48、用互補控制，斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)在換流過程中會出現(xiàn)短路，產(chǎn)生瞬時沖擊電流；如設(shè)置換相死區(qū)時間，又可能造成換相死區(qū)時間內(nèi)二個開關(guān)都不導通使負載開路，在有電感存在的情況下，會產(chǎn)生瞬時電壓沖擊。本方案采用有電壓、電流相位檢測的非互補控制方式，如圖5所示。對相數(shù)而言本方案采用三相四線制，即用三個單相電路，組合成三相電源，這樣可以避免相間干擾，保持各相電壓輸出穩(wěn)定。圖5由圖6可見，V1，VD1與V2，VD2構(gòu)成雙向斬波開關(guān)，Vf1，VDf2與Vf2，VDf1構(gòu)成雙向續(xù)流開關(guān)；Lof及Cof分別為濾波電感、電容；u1為補償變壓器初級繞組兩端電壓，u2為向主電路補償?shù)碾妷骸１痉桨覆捎昧擞须妷?、電流相位檢測的非

49、互補控制方式。圖6為在RL負載下，這種非互補的斬波開關(guān)和續(xù)流開關(guān)門極驅(qū)動信號的時序配合及一個電源周期中輸出電壓的理想波形。由圖6可見根據(jù)負載電壓電流相位，一個電源工作周期可分為4個區(qū)間.上述工作狀態(tài)，可用邏輯表達式表示為： （8）當U>0時，U=1；當U<0時，U=0;同理當>0和>0時，=1，=1；當<0和<0時，=0，=0。圖6為保證電源滿足負載特性的要求及運行可靠性,本設(shè)計采用了圖7所示的控制電路結(jié)構(gòu)。圖724 補償穩(wěn)壓原理及控制圖8示出補償穩(wěn)壓電路。圖8中電網(wǎng)電壓u，補償電壓uc，輸出電壓uo均為工頻。當u與uc相位差a=0°時，uo=uuc；當a=180°時，uo=uuc。因此，當電網(wǎng)電壓u變化時調(diào)節(jié)uc的大小以及與u的相對極性即可保證uo的恒定。圖81 對市電電壓波動的補償與Tr容量當市電電壓us波動時，將會引起負載電壓uL的波動。為了保持uL穩(wěn)定