零电压开关IGBT的可靠性研究

零电压开关IGBT的可靠性研究 ~7,3tc32 f—.卫,/0(电力电子技术)1997年第3期19978 零电压开关下IGBT的可靠性研究 ReliabilityStudyofIGBTunderZero-voltage-switchingCondition 燕山大学张纯江顾和荣王宝诚(秦皇岛066004)1争 7?主? 摘要:以全桥ZVS-PWM逆变焊机电源为对象,通过对零电压开关下 IGBT开关特性,开关损耗与 硬开关下的比较,得出零电压开关下IGBT可靠性的研究结果. Abstrlet:Withfocusonthepowersupplyofthefull-bridgeZVS-PWMinverterwelder,theswitching citatacter~tioandswitchIngl饼s嚣 0fIGBTunderZVSconditionatecomparedwiththoseundefhard,switch. ingcc~$tion-armareliabilityresultofIGBTunderZVSaregotten. 叙词:塑_曼苎!皇,绝缘栅翌垫曼堡! Keywor~:in代rt1日gpower-鲫pIy;reBablllty/ZVS;IGBT 1前言 随着更多IGBT的商品化.使其在较高电 压和较大功率的应用得到进一步发展.然而. 在大多数应用中.IGBT均处于硬开关工作状 态.因此.器件承受的开关应力较大,开关损耗 较高,密勒效应造成的干扰严重,关断时dv/dt 较大,易导致擎住现象发生等.本文结合5.6kw 全桥ZVS-PWMIGBT逆变焊机电源,对零电 压开关下IGBT的可靠性进行了研究. 2零电压开关 图1示出IGBT逆变焊机的主电路.与硬 开关变换电路相比.零电压开关有如下特点: ?拓扑结构上.在每个IGBT的输出端并 联一个谐振电容ct,含IGBT输出结电容;在负 载支路串联一个谐振电感L”含变压器漏感. c和L只是在IGBT换相瞬间发生谐振,为 IGBT创造零电压开关条件. ?控制上,采用移相控制,保证上,下器件 的死区时间固定,而硬开关采用PWM控制. 图1FB-ZVS-PWM逆变回路 图2示出单个IGBT的栅极信号y?集电 极电流和集.射极电压y波形.由图2可 见,在IGBT的yG变高电平之前(2),外加 电压v已变为低电平.这是因与之并联的二 极管先导通.使y钳位.所以IGBT为零电压 开通.在关断之前,IGBT处于导通状态,与之 并联的c端电压为零.当关断IGBT时,cf与 L发生谐振.并以此时的负载电流对充电. 故IGBT也为零电压关断,同时IGBT再加 dv/dt明显减小. 图2零电压开关下rG,Vcr和ff波形 图中VG:10v/格v?{100v/格 Jc:20A/格f:10/格 图3分别示出零电压开关下和硬开关下 IGBT开通与关断瞬间时间轴放大波形.由图 3可知,零电压开关下的dv/dt约为500v/s, 硬开关下无吸收电路的d/dt为1500v/s. 3比较研究 3.1开关损耗 IGBT为双极型器件,在关断过程中.等效 电路…中的MOS快速关断,引起y迅速上 升,等效晶体管中的存储电荷不能从MOS栅 极抽出,一部分由内部复合消除,另一部分在 2(电力电子技术’1997年第3斯1997.8 VcE的驱动下通过晶体管集电极电流强迫抽 出.形成拖尾电流J,该拖尾电流同升高的集 电极电压产生较大的关断损耗.因此,减小关 断损耗的方法就是减缓ycE的上升率,使足够 多的存储电荷由内部复合消除,同时还可大大 减小由Jc和’cE造成的重叠损耗.由图3b,d 可知,零电压开关下的dVot/dt比不带吸收电 路的硬开关小3,4倍,所以可大大减小关断损 耗.需指出的是,RCD吸收电路也可减缓 dvcE/df,见图4.但在关断过程申出现的电压 尖峰yp会造成很大的瞬时损耗,对IGBT的 可靠运行不利,同时RCD吸收电路还会产生很 大的损耗.母线RCD吸收电路虽不产生较太 损耗,但不能明显减小dVtx/dt?】. 围3零电压开关下和硬开关下的V,1”Vcx被形 (a)零电压开关下开通波形 . (b)零电压开关下关断波形 (c)硬开关下开通波形 (d)硬开关下关断波形 日中V:10V/格VcE:100v/格 lc:20. A/~6:05vs/~ ,y口 ? ,. 圈4带RCD吸收电路的关断波形 (Rs:100n.Cs=0.11.ts) 圈中vG:10v格理:100v/搭 zc.20A/格t:1O,格 由图3a可知.在IGBT开通时,其电压和 电漉都已降为零,所以零电压开关下的开通损 耗几乎完全可以消除.由图3c的硬开关下开 通波形可知,电压,电流存在重叠区.所以它必 然产生较大的开通掼耗. 3.2密勒效应和擎住效应 IGBT属于电压控制型器件,在栅.集极和 栅.射极之间存在寄生电容Cc,c~Cc,z,见图5a. 在IGBT应用中特别是桥式电路,过大的 dV[dt会通过cGc,CGE耦合到栅极上产生干 扰,如图5b所示,当此干扰信号大于IGBT的 开启电压时,就会导致处于关断状态下的 IGBT误导通而造成桥臂短路,这是硬开关中 极易出现而又很难解决的问题.在零电压开关 ]厂]厂———— .I 厂]几一II 图6示出有寄生晶闸管结构的IGBT等效电 路.在npn晶体管的基.射极问并有一个体区 电阻d/在J2结上会产生位移电流 Cjz(dV~/dt),此位移电流在Rb上产生压降, 当这一压降过大时足以使npn晶体管导通.也使 pnp晶体管导通而形成晶闸管锬定即擎住效应. 使栅极失去控制作用,最终导致IGBT损坏. 这里的关键仍是d/dt,而零电压开关下的 dcE/出仅为500v_/its,可避免擎住效应. 图6带有寄生晶闸管结掏的IGBT等效电路 (下第1O万) 10(电力电子技术)1997年第3期19978 作誊筒介 张承慧:并.1963年9月生.ll教授研究方向为电力拖动自动化反控制理论与应用. 刘强:男.1971年7月生, 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师.研究方向为交流调速亚董机控制 刘立志:男.1938年9月生.簟授.研究方向为计算机控幸l技术,交流调速度模糊控制. 首赶:男.1955年lO月生.剖教授.研究方向为电力拖动自动化亚董机 应用. (上接第2页) 3.3开关应力 在开关过程中,器件的开关轨迹如图7所 示.在PWM硬开关中,IGBT承受的电流,电 压会出现同时为最大值的时刻.此时的电流和 电压会超出FBSOA和RBSOA所允许的安全 工作区.这一状态停留时闻稍长即会损坏 IGBT.对于一般的RCD吸收电路,虽能缓解 开关过程中IGBT所承受的开关应力,但损耗 能量.如图7所示,在零电压开关期间,器件承 受的应力最小.IGBT可工作在安全工作区之 内. / ) 图7开关轨迹 4结论 IGBT的控制采用零电压开关方式.对减小 开关损耗和器件承受的开关应力,对减小密勒 效应造成的干扰以及解决IGBT所特有的擎住 效应等都有显着效果,所以这种控制方式可大 大提高IGBT工作的可靠性. 利用零电压开关方式研制了一台全桥逆变 式焊机电源(输出功率5.6kw,输出电流 160A).在负载经常处于短路的极其恶劣环境 下,IGBT运行安全可靠. 参考文献 1张立等.现代电力电子技术.北京:科技出版 社.1992 2N[wamuro【日]蒜性负载情况下IGBT关断 特性的数字分析国际电力电子学术会议译文集.西 安:1992.53,56 3YiZhang,SeedSobhaniSnubberCo~deration forIGBTApplication.TheFirst[nteanafionalPower ElectronicandMot/onControlCo~ffere~ce1994,Bei~in8 China,1994,(1):161,273 收到初稿日期:1996-lO一07 收到定稿日期:1997.O1.31 作者简介 张纯江:男,1961年12月生.博士.剐教授.研究方向:电能变接应鞋开关变搂技术. 顾和荣:男.1963丰3月生.啊士学位,讲师.研究方向:电力g-t-~件亚其应用. 王宝诚:男.1962丰l2月生,啊士学位.讲师.研究方向:擞机控制及电力 电干电路仿真.