IGBT模块

IGBT模块 (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。 (8)关于结温的大小 igbt模块的芯片最大额定结温是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。在最恶劣条件下，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，???????，最终拧紧的次序是???????。散热器表面要平整清洁，要求平面度不大于150μm，最好用力矩扳手(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 此条件下器件是最安全的。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，而且开关损耗最小，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，最佳值约为,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最小。 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，其最小共模抑制比要在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应降至最低。 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: ?控制关断:减少栅极电压(有分段或斜坡减少)增加沟道内阻。 ?uge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。 ?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极引脚进行了永久性连接。 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 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 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，选用定温电烙铁最合适。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极悬空或未稳定时就加uce(几百到几千伏)，因为cge极间的耦合电容就可将icbt误导通，致使过高的du,dt造成电击穿雨损坏。为避免上述现象发生，一般用延时电路方法，使uce延时于uge约0.2s，这样大大地提高了使用的安全性、可靠性，尤其是中、大功率的器件更应注意。 (16)小结 igbt的使用综合性能是非常优越的，因此成为当今逆变电路dc,ac中的主要器件。它的弱点是过电压、过热、抗冲击、抗干扰等性能较差，因此在使用时必须正确选择器件的容量，切莫粗枝大叶，造成经济损失。只要精心设计，规范运行，就能确保使用中的安全性和可靠性。