電力電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

電力電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1igbt采用密閉式全控型晶圓開關(guān)器件用于逆變點(diǎn)電力電子技術(shù)是一項(xiàng)以能為中心的電子技術(shù)。它的主要任務(wù)是控制和改變電力。隨著微電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,不斷涌現(xiàn)出新型的電力半導(dǎo)體器件,并通過發(fā)展逐步將電力電子技術(shù)劃分為傳統(tǒng)電力電子技術(shù)(以半控型電力器件為核心和現(xiàn)代電力電子技術(shù)(以全控型器件為核心)。尤其近幾年電力電子技術(shù)始終與逆變電源領(lǐng)域的發(fā)展密不可分,越來越成為該領(lǐng)域中的重要組成部分,也極大地帶動(dòng)了逆變領(lǐng)域的飛速發(fā)展。IGBT(IsolatedGateBipolarTransistor)是絕緣門極雙極型晶體管,它是20世紀(jì)80年代末90年代初迅速發(fā)展起來的新興復(fù)合功率開關(guān)器件,屬全控型自關(guān)斷器件。由于它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身,即MOSFET輸入阻抗高、開關(guān)損耗小(約為GTR的1/3)、速度快(可在10~50kHz頻率下工作)、熱穩(wěn)定性好、電壓驅(qū)動(dòng)功率小;又有GTR控制電流能力強(qiáng)、通態(tài)壓降低(一般為3V,與MOSFET相比,大于10倍以上)、大電流(一般載流量是MOSFET的5~10倍以上)等特點(diǎn)。適合高電壓、大電流、大功率(>5kW以上),開關(guān)頻率大于1kHz的應(yīng)用場(chǎng)合更顯優(yōu)勢(shì)。是目前中、高頻開關(guān)器件和大功率電力電子裝置中的主流器件。用于各種逆變焊接電源、開關(guān)電源和感應(yīng)加熱電源等電力電子設(shè)備中。隨著IGBT制造技術(shù)水平的提高,特別是電流和耐壓性能指標(biāo)(已達(dá)到1.2kA/3.3kV)提高,使IGBT器件的應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)展到更大功率控制變換場(chǎng)合。市場(chǎng)上主要有EUPEC(優(yōu)派克):BSM、FF、FZ系列;西門康:SKM、SKIIP系列;東芝:MG、MIG系列;三菱:CM、PM、RM、TM系列;富士:1MB1、2MB1、6MBP系列;仙童:SGH、TGL、FGA、SGL系列品牌。2電力設(shè)備的分類電力電子器件分類見圖13改變晶閘管式gto在大中功率的開關(guān)電源裝置中,IGBT由于其控制驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、工作頻率高、容量較大的特點(diǎn),已逐步取代晶閘管式GTO。IGBT等效電路及圖形符號(hào)圖2所示。在具體應(yīng)用時(shí),應(yīng)考慮器件在任何靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、過載(如短路)的運(yùn)行情況下應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)參數(shù)給予選擇確定。3.1器件歷程和利用時(shí)長(zhǎng)為6.大多數(shù)IGBT(模塊或單管)通常工作在交流電網(wǎng)并通過單相或三相整流后的直流母線電壓下。一般選擇IGBT耐壓值都是在整流后的直流母線電壓2倍,其原因充分考慮到過載、電網(wǎng)波動(dòng)、開關(guān)過程引起的電壓尖峰等因素。如果在使用器件時(shí),因結(jié)構(gòu)、布線、吸收等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)比較理想,則可考慮采用較低耐壓的IGBT以承受較高的直流母線電壓。器件耐壓選擇:單相交流≤230VAC,整流DC350V,器件耐壓600V;三相交流380~460VAC,整流DC600V(最高可達(dá)900V),選擇器件耐壓1200V。3.2igbt結(jié)溫IGBT屬半導(dǎo)體器件,也具有溫度敏感性。器件標(biāo)稱電流與溫度的關(guān)系比較大。通常隨著器件殼體溫度上升,器件標(biāo)稱電流就會(huì)下降(器件最大允許通過的集電極電流Ic是按殼溫Tc所確定,允許通過的Ic)。另外器件標(biāo)稱Ic最大集電極電流通常結(jié)溫不超過最大允許結(jié)溫值。在IGBT快速熱能響應(yīng)特性(該特性反映了IGBT在單一脈沖作用下將結(jié)溫傳遞給外殼的能力)中,對(duì)相關(guān)散熱器尺寸的確定有著重要意義。在IGBT運(yùn)行過程中,過溫可能產(chǎn)生于以下幾個(gè)方面:①故障電流引起的功耗增加;②由驅(qū)動(dòng)電路故障引起的功耗增加,如VGE欠壓;③冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障,如風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),IGBT器件與散熱器接觸不良。以上幾方面均會(huì)導(dǎo)致IGBT結(jié)溫超過器件最大允許Cj(150℃)值。以圖3EUPECNPT-IGBTIc/Tc曲線圖為例,在Tc≤25℃時(shí),Ic電流值通常為一個(gè)恒定值,但隨Tc的增加曲線下降很快。器件標(biāo)稱其最大允許通過的集電極電流(Ic)是在Tc=80℃來標(biāo)稱,器件最大結(jié)溫Tc應(yīng)不能超過Cj=150℃。這里需要說明的是很多器件廠家提供的型號(hào)標(biāo)稱電流都是在Tc=25℃時(shí)電流值來標(biāo)稱型號(hào),所以在選擇使用時(shí),器件自身允許最高結(jié)溫以及允許通過的集電極電流Ic(在殼溫Tc的確切值),只有這樣才能選擇更為合適,并合理安排如器件的散熱等使用裕量的問題。(2)igbt導(dǎo)通參數(shù)極限的確定安全工作區(qū)(SOA)限定了IGBT器件在開關(guān)運(yùn)行、通態(tài)運(yùn)行以及單脈沖運(yùn)行時(shí)各種臨界的,不導(dǎo)致IGBT損壞的運(yùn)行條件。器件所處的工作溫度,對(duì)額定集電極電流Ic有一定影響。當(dāng)工作溫度升高后,允許的額定Ic會(huì)降低。安全工作區(qū)(SOA)的確定是根據(jù)最大集電極電流ICM、最大集射極電壓UCEM和最大集電極功耗PCM,來確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍的,見圖4。在確定器件時(shí),應(yīng)考慮不同工作電壓、脈沖寬度、允許通過的最大電流不同。通常器件所確定的脈沖電流值(ICM集電極最大電流或稱1ms時(shí)間電流),是在器件芯片最大結(jié)溫Tj=150℃,通電1ms時(shí)間,允許的集電極電流,一般ICM=2Ic(2倍于額定電流值)。如需重復(fù)也需要有足夠長(zhǎng)的時(shí)間。假如脈沖寬度限制在10us以內(nèi),則器件短路電流(又稱集電極浪涌電流IP在10us內(nèi)允許通過的電流)承受能力高達(dá)10倍的額定電流值,這種短路不允許經(jīng)常發(fā)生,因?yàn)闀?huì)嚴(yán)重減少器件使用壽命。如遇特殊場(chǎng)合則必須選用短路魯棒性(抗短路能力)強(qiáng)的器件來滿足其特殊要求?？傊?在選擇器件時(shí),通常先計(jì)算通過IGBT器件的電流值,然后根據(jù)電力電子設(shè)備的特點(diǎn),考慮到過載、電網(wǎng)波動(dòng)、開關(guān)尖峰等因素并考慮一倍的安全余量來選擇相應(yīng)的器件。在嚴(yán)格選擇的同時(shí),應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用情況,計(jì)算耗散功率,通過最高的結(jié)溫指標(biāo)可選擇較小的IGBT器件通過更大的電流,從而更加有效充分利用IGBT器件。(3)igbt的使用IGBT在用作開關(guān)器件時(shí),自身?yè)p耗應(yīng)需注意。其損耗主要由通態(tài)損耗和開關(guān)損耗組成,不同的開關(guān)頻率,開關(guān)損耗和通態(tài)損耗所占的比例不同。而決定器件通態(tài)損耗的飽和壓降VCE(sat)和器件開關(guān)損耗的開關(guān)時(shí)間(Ton,Toff)又是一對(duì)矛盾,因此在選用IGBT時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的開關(guān)頻率來選擇不同特征的IGBT。如器件IGBT工作在低頻fk≤15kHz時(shí),器件基本上以通態(tài)損耗為主,這就需要選擇低飽和壓降型IGBT。器件工作在開關(guān)頻率fk≥15kHz時(shí),開關(guān)損耗是主要的,此時(shí)通態(tài)損耗占的比例較小。選擇該器件應(yīng)選擇高頻短施尾電流系列。在具體使用時(shí),開關(guān)頻率通常為硬開關(guān)工作頻率;若是工作在軟開關(guān)條件下,則器件會(huì)適合更高的工作頻率。所以在選用IGBT時(shí),應(yīng)全面考慮器件自身參數(shù)是否符合所應(yīng)用的場(chǎng)合,只有如此才能使器件更合理和科學(xué)使用。4器件的自適應(yīng)。根據(jù)特點(diǎn),各因IGBT通常使用在開關(guān)電源裝置中,由于它工作在高頻、高壓、大電流場(chǎng)所,使得它容易損壞。另外器件作為電源的前級(jí),由于受電網(wǎng)波動(dòng)、諧波、雷擊等原因使得它承受較強(qiáng)的短路電器,因此產(chǎn)生很大應(yīng)力更易使IGBT失效。所以增強(qiáng)IGBT保護(hù)以提高器件的可靠性,通常從以下幾個(gè)方面著手考慮。4.1器件通態(tài)損耗的保護(hù)如所加驅(qū)動(dòng)電壓過低,則IGBT不能穩(wěn)定正常工作;如過高超過VGE之間耐壓值,則會(huì)使IGBT造成永久損壞。在選擇驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路時(shí),需考慮VGE電壓范圍。由于IGBT輸入電容GIES(CCG+CGE=CIES是在C-E短路條件下CCG、CGE的并聯(lián)值)較MOSFET大,因此在器件關(guān)斷時(shí),需加一個(gè)負(fù)偏壓,負(fù)偏壓值最好在-10~-5V之內(nèi);開通時(shí),驅(qū)動(dòng)電壓最佳值為15V±10%,因15V驅(qū)動(dòng)電壓足夠使IGBT處于充分飽和,而此時(shí)通態(tài)壓降也比較低,同時(shí)又能有效地限制短路電流值和因此產(chǎn)生的應(yīng)力。若驅(qū)動(dòng)電壓低于12V,則器件通態(tài)損耗較大,IGBT處于欠壓驅(qū)動(dòng)狀態(tài);若VGE>20V,則難以實(shí)現(xiàn)電流的過流、短路保護(hù),影響IGBT可靠工作。為保證IGBT的VGE驅(qū)動(dòng)電壓穩(wěn)定可靠,在靠近IGBT的G-E之間加雙16~18V穩(wěn)壓管(V3、V4見圖5),以箝位dV/dt引起的耦合到柵極的電壓尖峰。4.2mos柵器件當(dāng)IGBT柵極與發(fā)射極呈開路,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓,隨著集電極電位的變化,由于器件是一種MOS柵器件有其特征電容CRES反轉(zhuǎn)電容存在(CRES=CGC),使得柵極電位升高,引起IGBT的dv/dt開通,則C-E有電流流過。這時(shí)若集電極和發(fā)射極處于高壓狀態(tài),可能會(huì)使IGBT發(fā)熱甚至損壞。為避免此類情況發(fā)生,應(yīng)在G-E并接一只幾十千歐姆的電阻R1(圖5所示),此電阻的安裝應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極。4.3柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)對(duì)電在設(shè)計(jì)IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí),選擇適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)電阻Rg非常重要。Rg阻值對(duì)IGBT的動(dòng)態(tài)特征有較大的影響,因?yàn)镮GBT的開通和關(guān)斷是通過柵極電路的充放電來實(shí)現(xiàn)的。因此柵極電阻Rg的不同可以改變輸入電容的充放電時(shí)間,用Rg的大小來改變IGBT的關(guān)斷速度,從而影響其動(dòng)態(tài)性能。Rg越小,柵電容充放電較快,開關(guān)時(shí)間也較快,相應(yīng)開關(guān)損耗就比較低。但發(fā)生短路時(shí)或與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管關(guān)斷期間,施加在反轉(zhuǎn)電容CRES(CGc)上的di/dt和dv/dt可引起柵極電路有電流流過,若電流足夠大,則在柵極電阻上產(chǎn)生電壓,嚴(yán)重的后果是引起IGBT誤導(dǎo)通,或在柵極驅(qū)動(dòng)電路上產(chǎn)生振蕩并損壞器件。如果Rg的值比較小,又會(huì)使得IGBT開通di/dt變大,從而引起較高dv/dt,增加續(xù)流二極管恢復(fù)時(shí)的浪涌電壓。相反,Rg較大時(shí)降低了IGBT的開關(guān)速度,增加了開關(guān)損耗。因此,選擇Rg時(shí)需要折衷考慮。Rg的選擇首先根據(jù)器件IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電阻推薦值,通常根據(jù)器件的額定電壓來選擇具體的型號(hào),以確定Rg值的選擇范圍(Rgmin~Rgmax),在具體選擇使用時(shí)Rg的值可適當(dāng)調(diào)整(大于范圍值1~10倍)以此用來靈活減慢開并速度和減少寄生振蕩。如器件在低頻應(yīng)用時(shí),則開關(guān)損耗不成為一個(gè)重要考慮因素,可適當(dāng)增大Rg,以減小瞬間電壓。4.4人體靜電壓的活動(dòng)由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復(fù)合體,特別是柵極為MOS結(jié)構(gòu),對(duì)靜電壓十分敏感。如需用手接觸IGBT前,應(yīng)先將人體靜電放電后再行操作,尤其是器件驅(qū)動(dòng)端子部分。另外用IGBT制作的電源設(shè)置一定要有可靠的接地措施。4.5血光機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的布置在柵極驅(qū)動(dòng)電路中,合理的布局對(duì)防止?jié)撛诟蓴_,減少噪聲損耗和減小驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)動(dòng)作次數(shù)有較大影響,因此驅(qū)動(dòng)電路布線需注意以下幾點(diǎn):(1)驅(qū)動(dòng)電路連線盡可能短。將驅(qū)動(dòng)電路、吸收電路布置在同一塊PCB板上,并裝IGBT器件是最佳方案。(2)如不能直接布在同一個(gè)PCB板上,驅(qū)動(dòng)連線通常可采用雙絞線(≥2轉(zhuǎn)/cm),并合理放置柵極驅(qū)動(dòng)電路板或合理屏蔽驅(qū)動(dòng)電路,以防止主電路和驅(qū)動(dòng)、控制電路的相互間干擾。(3)在布線時(shí)盡量減少寄生電容,以避免高端和低端回路,因寄生電容的存在耦合dv/dt產(chǎn)生干擾。(4)采用光耦隔離控制與高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),應(yīng)選擇共模抑制比大于10kV/us的高速光耦。如在圖5中V1、V2為驅(qū)動(dòng)功率推挽放大,通過高速光耦隔離后信號(hào)通過V1、V2推挽放大。4.6防止電壓峰次傷害由于IGBT通常工作在高頻開關(guān)狀態(tài),又加之是電壓驅(qū)動(dòng)型器件輸入阻抗很高,因此,主電路電感引起的電壓尖峰會(huì)通過結(jié)間電容耦合到驅(qū)動(dòng)控制回路,進(jìn)而引起IGBT的誤動(dòng)作,甚至損壞IGBT器件。另外IGBT因輸入交流電源或IGBT的前一級(jí)輸入發(fā)生異常,導(dǎo)致加在IGBT的直流過電壓過高損壞器件。還有是因主回路電感的存在,再加之IGBT的開關(guān)速度較高,當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時(shí),就會(huì)產(chǎn)生很大的浪涌電壓(電壓尖峰)du/dt損壞IGBT。對(duì)上述三種情況,在布線或連線中,盡量減少寄生電容,以防止電壓尖峰耦合損壞器件;對(duì)直流過壓解決辦法是選取IGBT時(shí),進(jìn)行降額設(shè)計(jì),另外在檢測(cè)回路中檢測(cè)出這一過電壓分?jǐn)郔GBT的輸入,以保證IGBT的安全;而在過壓保護(hù)中防浪涌電壓保護(hù)最為常見,因過壓保護(hù)中浪涌電壓對(duì)器件的損壞也最為嚴(yán)重。浪涌電壓的保護(hù),通常采用以下方法進(jìn)行保護(hù):①在選取IGBT時(shí)應(yīng)考慮,相應(yīng)的設(shè)計(jì)裕量;②盡可能將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;③在電路設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)整IGBT驅(qū)動(dòng)電路Rg值,使di/dt盡可能小;④根據(jù)具體情況(如中小功率電路、中等功率電路、大功率電路等)加裝緩沖保護(hù)電路,旁路高頻浪涌電壓。在功率主回路的吸收電路主要用來吸收IGBT關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管反向恢復(fù)浪涌電壓。在某些應(yīng)用中,吸收電壓可以減少IGBT的開關(guān)損耗。而通用的吸收電路往往很難起到吸收作用,因?yàn)槲针娐奉愋褪撬杵骷禈O大地取決于主回路的布局結(jié)構(gòu),雜散電感的值大小,逆變器的功率,工作頻率等多變因素的制約。當(dāng)然最為理想的情況是:如主回路設(shè)計(jì)好,以至雜散電感為零,那么就可以不用增加吸收電路,但這只不過是一個(gè)理想情況,實(shí)際上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。4.7igbt器件的過流保護(hù)IGBT是高頻開關(guān)器件,芯片內(nèi)部的電流密度大。如果發(fā)生過流或短路故障時(shí),此時(shí)器件中流過的大于額定值的電流,極易使器件管芯結(jié)溫升高(通常>Tjmax結(jié)溫極限值),從而導(dǎo)致器件迅速燒壞。因此,對(duì)IGBT的過流或短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間必須快,必須在10us內(nèi)完成。通過應(yīng)用實(shí)踐證明:過電流是IGBT在電力電子線路中經(jīng)常發(fā)生的故障和IGBT器件的重要原因之一,過流保護(hù)應(yīng)首當(dāng)考慮。針對(duì)過流與短路保護(hù),這里需說明的是:過流大多數(shù)是指因某種原因而引起的負(fù)載過載;而短路是指橋臂直通,或主電壓經(jīng)過開關(guān)IGBT的無(wú)負(fù)載回路,兩者有本質(zhì)區(qū)別,所以需考慮的保護(hù)措施也需根據(jù)過流和短路各自特點(diǎn)而制定。通常過流保護(hù)常用電流傳感器檢出,短路保護(hù)通過檢測(cè)IGBT飽和壓降,配合驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)。另外針對(duì)不同功率IGBT有不同的方法來實(shí)現(xiàn)過流和短路保護(hù)。4.8關(guān)于igbt的熱設(shè)計(jì)一般情況下流過IGBT的電流較大,開關(guān)頻率f較高,故而器件損耗也比較大,如果熱量不能及時(shí)散掉,使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax則IGBT可能損壞。通常IGBT器件芯片的最大可允許Tj是150℃,這一額定值在任何情況下都是不允許超過的,就最惡劣的條件下最高結(jié)溫限定在125℃或更低。器件只有在額定結(jié)溫下工作,可靠性才可以有所保證。所以在熱設(shè)計(jì)時(shí),不僅要保證其在正常工作時(shí)能夠充分散熱,而且還要保證其在發(fā)生短路過載時(shí),IGBT結(jié)溫也不超過Tjmax。在過熱保護(hù)設(shè)計(jì)中應(yīng)以IGBT結(jié)溫核算和散熱器的設(shè)計(jì)兩方面考慮。(1)器件的接觸熱阻和平均功率器件結(jié)溫Tj=TC+PTRth(j-c),其中TC為IGBT基板溫度,通過IGBT的接觸熱阻,可以從散熱器的設(shè)計(jì)溫度或測(cè)量溫度中計(jì)算得到。Rth(j-c)為結(jié)殼熱阻,查器件數(shù)據(jù)可得。PT為器件平均功耗,平均功率可由器件通態(tài)功率與開關(guān)損耗兩部分組成。平均功率的估算可參考所選器件應(yīng)用手冊(cè)來進(jìn)行估算。通常核算設(shè)計(jì)Tj≤125℃為合理設(shè)計(jì)。(2)反串聯(lián)續(xù)流電極的熱阻優(yōu)化因考慮到由IGBT組成的設(shè)備體積以及重量等限制性價(jià)比因素,散熱系統(tǒng)不可能無(wú)限地?cái)U(kuò)大,應(yīng)根據(jù)IGBT的具體使用確定每個(gè)IGBT芯片功耗和反并聯(lián)續(xù)流二極管的平均功耗后,則可算出所選散熱器需要的耗散總功率。另外再結(jié)合散熱器廠家給出的熱阻曲線,選擇適當(dāng)?shù)纳崞鞯拇笮?、形狀等。在器件具體安裝時(shí),通常將器件安置在散熱器的正中央以使得到熱阻最小;如需安裝多個(gè)IGBT,應(yīng)根據(jù)IGBT的發(fā)熱情況留出相應(yīng)的空間;為保證散熱效果,散熱器表面光潔度≤10um以減小熱阻,且最好在散熱器與IGBT器件間涂抹導(dǎo)熱硅脂。在裝配安裝過程中,應(yīng)還需要注意防止柵極靜電擊穿。5應(yīng)用的領(lǐng)域帶來的發(fā)展機(jī)遇由于電力電子器件發(fā)展,尤其近幾年IGBT的廣泛應(yīng)用,給所應(yīng)用的領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。在具體應(yīng)用時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)IGBT采取相應(yīng)的保護(hù)措施,只有如此,方可保證IGBT在應(yīng)用中得到良好效果,并保證IGBT的安全可靠工作。(1)中、功率igbt器件加工保護(hù)(1)小功率IGBT器件過流保護(hù)(圖6)對(duì)于小功率IGBT器件,通常采用直接串聯(lián)電阻的方法來檢測(cè)器件輸入電流,從而判斷過電流故障。該過流保護(hù)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是直接通過電阻檢測(cè)時(shí),無(wú)延遲;輸出電路簡(jiǎn)單、成本低;缺點(diǎn)是檢測(cè)電路與主回路不隔離(檢測(cè)電阻R串聯(lián)接至主回路中檢測(cè)Ic值),且檢測(cè)電阻上有功耗,因此,比較適合小功率場(chǎng)所使用。保護(hù)原理當(dāng)有過流情況發(fā)生時(shí),檢測(cè)電阻上產(chǎn)生電壓信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)斷