对IGBT管,G极不加电压,就不形成导电沟道,C-E极电阻很大,因此,应用数字万用表电阻“×10kΩ”档,测得C-E电阻近似为“∞”。在理论上C-E极电阻等于一个正向PN结电阻与一个反向PN结电阻串联之和。一般IGBT管E-C极电阻为续流二极管正向电阻55kQ,C-E极电阻RCE≥107Ω。
IGBT管的二极管测量
由于绝缘栅双极晶体管通常与反并联的快速二极管封装在一起,制成模块,因此在数字万用表二极管档,用红表笔接“E”极,黑表笔接“C”极,应有0.4V左右的二极管正向电压降(对于一些没有内置二极管的型号,如GT40T101则没有电压降)。
对于IGBT管,若G极不加电压,就不形成导电沟道,C-E极电阻很大,因此,将数字万用表置二极管档时,测得C-E为不导通。
E-C极二极管档测量为续流二极管正向压降0.3V。
1、IGBT的使用
(1)驱动保护电路的设计
驱动电路的设计是决定IGBT能否充分发挥其性能的关键。
保护电路是保证IGBT在过流和过压等异常情况下避免受到损坏的重要措施,必须在充分了解器件特性的基础上,配合器件的特性进行设计。
(2)作结温散热设计
每个IGBT都有既定的最大容许结温(Tj),在工作时需要控制IGBT的结温不超过这个最大容许结温。一般而言,IGBT需要散热器才能工作,要根据器件的损耗进行散热设计,保证结温Tj不超过容许值。
首先,需要计算出IGBT在电路中的损耗。IGBT工作时的损耗包括两大部分:一个是IGBT内部晶体管的损耗,另外则是IGBT的反并联二极管上的损耗。
IGBT内部晶体管的损耗包括IGBT的导通损耗和开关损耗(开关损耗包括开通损耗和关断损耗,软开关电路中这两个损耗可能为零)。二极管上的损耗则包括二极管的导通损耗和二极管的反向恢复损耗。把所有的损耗相加即可得到IGBT工作时的总损耗,选择最大的总损耗进行热设计,IGBT工作时的最大结温可以由下面的热方程得到
式中,P∑为IGBT最大损耗功率;Rthjc为IGBT结到外壳间的热阻;Rthcs为外壳到散热器间的热阻;Rthsa为散热器到周围空间之间的热阻;Ta为外界温度。根据上述公式,确定结温Tj在容许值范围内选择合适的散热器。
(3)并联连接
当IGBT模块用于控制大电流时,有时将器件并联使用。器件并联使用时,重要的是在设计时要使并联连接的器件中通过等量的电流。一旦电流失去平衡,有可能由于电流集中流过某单个器件而使该器件损坏。
(4)保管和使用注意事项
电力电子设备的保管存放场所,以温度为5~35℃、相对湿度为45%~75%最为适宜。特别是IGBT和功率晶体管等,如果处于非常干燥的区域中,需要用加湿器加湿。再者,如果使用自来水,则由于自来水中所含的氯元素会使电力电子设备的导线生锈,因此需注意使用纯净水或蒸馏水。避开产生腐蚀性气体和尘埃多的场所。
在温度急剧变化的场所,电力电子设备的表面容易结露,因此要避开此类场所,将其保管在温度变化小的地方。
临时放置半导体电子设备时,应选择不易产生静电的容器。
(5)其他
在模块的端子部位测定驱动电压( UCE),并确认已外加既定的电压驱动电路端的电压与实际作用在IGBT上的电压,可能有偏差。
通过产品的端子部位测定开通、关断时的脉冲电压。
务必在产品的绝对最大额定值(电压、电流、温度等)范围内使用。一旦超出绝对最大额定值,可能损坏器件。
IGBT应在功率周期寿命以内使用。
反偏栅极电压-UGE不足时,可能引起误触发,为了避免误触发,需设定足够的-UGE值(推
荐-15V)。
如果开通du/dt偏高,则对偏置支路的IGBT可能发生误触发。为了避免误触发,需在最适当的栅极触发驱动(+UGE、-UGE., RG等)条件下使用。
2、IGBT的保护电路
电力电子电路工作时,由于外部或操作失误等原因,为了保证用电设备和用户的安全,同时将由于非正常运行造成的损失降到最小,需要在电力电子电路中设计保护电路。
IGBT常用的保护电路有两种:过电流保护和过电压保护。
2.1 过电流保护
IGBT的过电流往往是由于电路中的短路引起的。当电路中发生短路时,IGBT集电极电流将急剧增加并超过额定值,集电极电流增加也引起IGBT集电极—发射极电压UCE的上升,于是IGBT功率损耗增加。长时间运行于这种状态,将使IGBT的结温超过允许值而烧毁。
发生短路的原因可能有很多种,下面以一个三相逆变电路为例,介绍常见的短路状态:
(1)支路短路
由于电路中IGBT或其反并联二极管损坏造成短路,如图28(a)所示。
(2)桥路直通短路
由于控制电路、驱动电路故障或干扰引起的开关误动作造成同一桥臂上下两个IGBT同时导通,如图28(b)所示。
(3)输出短路
由于装配失误或负载绝缘损坏造成短路,如图28(c)所示。
(4)接地短路
由于配线等人为失误造成接地短路,如图28(d)所示。
2.2 过电流保护方法
为了实现过电流保护,需要进行过电流状态检测。对IGBT而言,常用的过电流检测方法有两种:
电流传感器检测法与IGBT的饱和压降检测法。
(1)电流传感器检测法
通过在电路中加入电流传感器,通过检测电路中的电流,判断IGBT是否过电流。通过此方法可以对电路的各种短路状态进行检测和区分,从而根据不同的短路状态采取不同的保护策略,减小由于电路异常所造成的损失。
另外,如果过快地关断IGBT中的过电流,将引起集电极与发射极之间发生过电压,造成IGBT损坏。因此,在检测出过电流以后,必须采取一定的策略关断IGBT,使关断过程落在反向偏置安全工作区(RBSOA)内,即采取所谓“柔性关断”。
(2)IGBT的饱和压降检测法
IGBT过电流时的饱和压降UCE(sat)比正常工作时要高。
图29是采用间接电压法的过流保护电路,它是应用IGBT过流时UCE值增大的原理来检测IGBT的过流现象。M57959AL驱动器内部电路能很好地完成软关断功能。电路中含有过电流信息的UCE经快速恢复二极管VD2检测,直接送至M57959AL的集电极电压监测端子l,8脚输出;通过U2光电耦合器,送到比较器U1A正相端与反相端的基准电压比较后输出,关断驱动信号。如果发生过流现象,驱动器M57959AL的低速切断电路慢速关断IGBT,以避免集电极因过大的di/dt形成的过电压尖峰脉冲损坏IGBT,同时也降低了干扰噪声电平。
目前,大多数IGBT的专用驱动芯片内置了类似的保护电路。
2.3 过电压保护
这里所讲述的过电压保护特指IGBT关断时的浪涌电压抑制,不涉及具体电路中由于输入、输出或操作失误等引起的过电压而需要设计的保护电路。
因为IGBT的关断速度很快,IGBT关断或其反并联二极管反向恢复时会产生很高的di/dt,由于IGBT内部引线或外部导线寄生电感的存在,引起很高的Ldi/dt电压,即关断浪涌电压。当这个电压超过IGBT的正向耐压值时,将造成IGBT过电压击穿而损坏。
常用的抑制IGBT关断浪涌电压的方法有以下几种:
(1)在IGBT上安装缓冲电路,在缓冲电路中使用可以吸收高频浪涌电压的薄膜电容器;
(2)调整IGBT驱动电路中的关断偏置电压-UCE和驱动栅极电阻RG,减小关断时的di/dt;
(3)降低主电路和缓冲电路中的引线电感,尽量使用更粗、更短的导线;另外,使用平板配线(分层配线)方式也可以有效地降低引线电感。
IGBT的缓冲电路有两种配置方法:一种是为每个IGBT单独配置的缓冲电路;另一种是为多个IGBT安装一个集中式的缓冲电路。
常用的单独配置缓冲电路有RC缓冲电路、充放电型RC-VD缓冲电路和放电阻止型RC-VD缓冲电路。
RC缓冲电路如图30所示。在IGBT的集电极和发射极之间并联一个RC串联支路,适用于斩波电路中。但是RC串联支路在IGBT开通时将通过IGBT进行放电,使得IGBT开通时电流增加,额外增加了IGBT负载;另外,RC缓冲电路中,每次关断以后存储在电容上的电能都将以热的形式消耗掉,它的损耗较大,不适合高频应用。RC缓冲电路的损耗为
式中:Csunber,为缓冲电路电容;Ud为IGBT截止时所承受的正向压降;fs为开关频率。
式中:L为主电路寄生电感;Ic为IGBT关断时的集电极电流;Cs为缓冲电容值;Ud为直流电压; fs为开关频率。
放电阻止型RC-VD缓冲电路结构如图32所示。适合于对同一个桥臂两个IGBT浪涌电压的吸收。它能有效地消除IGBT关断时的浪涌电压,而且缓冲电路的损耗相对前面两种缓冲电路要小,也适合于高频应用场合。它的损耗可以由下面的公式计算得到
式中:L为主电路寄生电感;Ic为IGBT关断时的集电极电流;fs为开关频率。
集中式缓冲电路适合于多个IGBT同时使用的场合,如图33所示。在该图中,通过在一个全桥逆变器的两个输出端子上并联一个RC电路,可纵对四个IGBT关断时的电压进行吸收。
IGBT的原理与应用――IGBT的选择及保护
发布时间: 2013/08/16 人气 :9152