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IGBT模块及其应用 |
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作者：西安爱帕克电力电子有限公司 |
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1 前 言
众所周知，IGBT以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。自二十世纪八十年代初期研制成功以来，其工艺技术和参数不断改进和提高，IGBT已由第三代、第四代发展到了第五代，由穿通型（PT型）发展到非穿通型（NPT型），其电性能参数日趋完善。IGBT模块也在此基础上同步发展，有单管模块、半桥模块、高端模块、低端模块、6单元模块等。合理的驱动保护是IGBT安全工作的前提条件，特别是选择合理的栅极驱动电压Uge和合理的栅极串联电阻Rg，以及过电压过电流保护尤为重要。IGBT模块的应用电路有半桥电路逆变、全桥电路逆变、三相逆变、斩波应用等。IGBT模块已被广泛应用于UPS、感应加热电源、逆变焊机电源和电机变频调速等电源领域。
2 IGBT模块电路结构
2.1 单管模块
一般说来，单管IGBT模块其额定电流比较大，是由多个IGBT芯片和快恢复二极管（FRD）芯片在模块内部并联而成，其电路结构如图1所示。表1给出了美国IR公司在中国的合资公司西安爱帕克公司生产的单管IGBT模块型号及电性能参数。
图1 单管电路结构
图2 半桥电路结构
2.2 半桥模块
半桥IGBT模块也称为2单元模块，是一个桥臂，其内部电路结构如图2所示。表2给出了西安爱帕克公司生产的半桥IGBT模块型号及电性能参数。两只半桥IGBT模块可组成全桥（H桥）逆变电路。
2.3 高端模块
高端IGBT模块其内部电路结构如图3（a）和图3（b）所示。图3（a）为斩波器应用电路结构，图3（b）为感应加热应用电路结构。表2给出了西安爱帕克公司生产的高端IGBT模块型号及电性能参数。
图3(a) 高端电路结构
图3(b) 高端电路结构
2.4 低端模块
低端IGBT模块其内部电路结构如图4（a）图4（b）所示。图4（a）为斩波器应用电路结构，图4（b）为感应加热应用电路结构。表2给出了西安爱帕克公司生产的低端IGBT模块型号及电性能参数。
3 IGBT模块驱动保护要点
3.1 IGBT栅极驱动电压Uge
理论上Uge≥Uge(th)，即栅极驱动电压大于阈值电压时IGBT即可开通，一般情况下阈值电压Uge(th)＝5～6V。为了使IGBT开通时完全饱和，并使通态损耗最小，又具有限制短路电流能力，栅极驱动电压Uge需要选择一个合适的值。当栅极驱动电压Uge增加时，通态压降减小，通态损耗减小，但IGBT承受短路电流能力减小；当Uge太大时，可能引起栅极电压振荡，损坏栅极。当栅极驱动电压Uge减小时，通态压降增加，通态损耗增加，但IGBT承受短路电流能力提高。为获得通态损耗最小，同时IGBT又具有较好的承受短路电流能力，通常选取栅极驱动电压Uge≥D*Uge(th)，系数D＝1.5、2、2.5、3。当阈值电压Uge(th)为6V时，栅极驱动电压Uge则分别为9V、12V、15V、18V；栅极驱动电压Uge折中取12V～15V为宜，12V最佳。IGBT关断时，栅极加负偏压，提高抗干挠能力，提高承受dv/dt能力，栅极负偏压一般为－10V。
3.2 IGBT栅极电阻Rg
选择适当的栅极串联电阻Rg对IGBT驱动相当重要。 当Rg增大时，可抑制栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡，减小开关di/dt,限制IGBT集电极尖峰电压；但Rg增大时，IGBT开关时间延长，开关损耗加大。当Rg减小时，减小IGBT开关时间，减小开关损耗；但Rg太小时，可导致ge之间振荡，IGBT集电极di/dt增加，引起IGBT集电极尖峰电压，使IGBT损坏。因此，应根据IGBT电流容量和电压额定值以及开关频率选取Rg值，如10Ω、15Ω、27Ω等，并建议ge之间并联一数值为10KΩ左右的Rge，以防止栅极损坏。
3.3 IGBT过电压过电流保护
过电压过电流是造成IGBT损坏的两大主要因素，应加以有效的保护。对于过电流，如果采用电流传感器保护，首先应考虑电流传感器的响应时间，建议过电流保护点设定为模块额定电流的1.5~2倍为宜；如GA100TS120K的模块电流额度值为100A，电流传感器设定为150A~200A；如GA200TD120K的模块电流额度值为200A，电流传感器设定为300A~400A。如果采用通态电压Vce(on)来保护，建议Vce(on)设定为5～6V，这时模块的峰值电流约为额度值的2～2.5倍。
对于过电压，通常采用RCD吸收过电压尖峰，最好是采用无感电阻和无感电容。同时，必须尽量减少或者消除布线时的杂散电感，可以通过减小整个电路有效回路面积来减小杂散电感。另外，还可以通过适当增加栅极串联电阻Rg来抑制过电压尖峰。
4 IGBT模块典型应用
4.1 感应加热电源
图5 为并联谐振感应加热电源主电路，由两只低端IGBT模块和两只高端IGBT模块组成，也可由四只单管IGBT模块和四只快恢复二极管模块组成，视感应加热电源功率而定。对管G1、G4和G2、G3轮流开通关断工作，输出电压和电流分别为正弦波和方波。
图5 IGBT感应加热电源主电路
4.2 逆变焊机电源
图6 为一全桥式逆变电路，由两只半桥IGBT模块组成，采用PWM控制，对管G1、G4和G2、G3轮流开通关断工作，输出电压为交变方波。此电路广泛应用于电焊机电源。
图6 IGBT逆变焊机电源主电路
4.3 变频调速电源
图7为IGBT三相PWM逆变电路，由三只半桥IGBT模块组成，用于变频调速电源和UPS电源。
图7 IGBT变频调速电源主电路
5 结 论
本文简要叙述了IGBT模块的几种典型内部电路结构，给出了美国IR公司在中国的合资公司西安爱帕克公司生产的单管IGBT模块、半桥IGBT模块、高端IGBT模块和低端IGBT模块型号及电性能参数，IGBT模块驱动保护要点，以及IGBT模块在感应加热、逆变焊机、UPS和变频调速电源应用中的主电路。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/2/2009) |
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