變頻器中的IGBT與功能模塊詳解

一、IGBT簡介

1.IGBT的技術(shù)特點(diǎn)

GTO（門極關(guān)斷晶閘管）和GTR（電力晶體管）是電流驅(qū)動器件，具有很強(qiáng)的通流能力，而它們的開關(guān)速度較慢，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。電力MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)是單極型電壓驅(qū)動器件，它的開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。因此這兩種器件各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）綜合了GTR與MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，是以達(dá)林頓結(jié)構(gòu)組成的一種新型電力電子器件，其主體部分與晶體管相同，有集電極C和發(fā)射極E，具有通流電流大，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單，開關(guān)速度快等良好的特性，自從20世紀(jì)80年代開始投入市場，應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，目前已經(jīng)取代GTR和GTO，成為大、中功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，該器件的工作電壓和電流容量也在逐漸提高。

IGBT是GTR和MOSFET相結(jié)合的一種新器件，它的輸入端和場效應(yīng)晶體管相同，是絕緣柵結(jié)構(gòu)，圖1所示為IGBT的內(nèi)部等效電路以及它的圖形符號。

圖1 IGBT內(nèi)部等效電路及圖形符號

2.IGBT的技術(shù)參數(shù)

IGBT的主要技術(shù)參數(shù)有如下幾個：

1）集電極最大允許電流ICM：IGBT在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下，允許持續(xù)通過的最大電流。

2）柵極驅(qū)動電壓UGE：施加在柵極與發(fā)射極之間的電壓。在變頻器應(yīng)用電路中，使IGBT飽和導(dǎo)通的UGE為12V～20V，而當(dāng)IGBT截止時，UGE為-15V～-5V。

3）集電極-發(fā)射極額定電壓UCEX：IGBT的柵極-發(fā)射極短路、管子處在截止?fàn)顟B(tài)下集電極與發(fā)射極之間能承受的最大電壓。

4）開通時間與關(guān)斷時間：電流從10%ICM上升到90%ICM所需要的時間，稱作開通時間，用tON表示；電流從90%ICM下降到到10%ICM所需要的時間，稱作關(guān)斷時間，用tOFF表示。ICM是IGBT集電極最大允許電流值。

5）集電極-發(fā)射極飽和電壓UCES：IGBT在飽和導(dǎo)通狀態(tài)下，集電極與發(fā)射極之間的電壓降。

6）漏電流ICEO：IGBT在截止?fàn)顟B(tài)下的集電極電流。

3.IGBT的使用注意事項

隨著電子技術(shù)及計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，IGBT正日益廣泛地應(yīng)用于小體積、低噪聲、高性能的電源、通用變頻器和電機(jī)控制、伺服控制、不間斷電源（UPS）等場合。IGBT在使用過程中，應(yīng)注意如下問題：

1）一般IGBT的驅(qū)動級正向驅(qū)動電壓ＵGE應(yīng)保持在15V～20V，這樣可使IGBT的飽和電壓較小，損耗降低，避免損壞管子。

2)關(guān)斷IGBT的柵極驅(qū)動電壓-ＵGE應(yīng)大于5V，若這個負(fù)電壓值太小，集電極電壓變化率du/dt可能使管子誤導(dǎo)通或不能關(guān)斷。

3)柵極和驅(qū)動信號之間應(yīng)加一個柵極驅(qū)動電阻RG，該電阻的阻值與管子的額定電流有關(guān)，可以在IGBT使用手冊中查到。如果不加這個電阻，管子導(dǎo)通瞬間，可能產(chǎn)生電流和電壓顫動，增加開關(guān)損耗。

4)設(shè)備短路時，IC電流會急劇增加，使ＵGE產(chǎn)生一個尖脈沖，這個尖脈沖會進(jìn)一步增加IC電流，形成正反饋。為了保護(hù)管子，可在柵極—發(fā)射極間加一個穩(wěn)壓二極管，鉗制G-E電壓突然上升。當(dāng)驅(qū)動電壓為15V時，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值可以為16V。

二、變頻器中的模塊逆變電路

在變頻器中，由IGBT以及相應(yīng)的驅(qū)動控制、保護(hù)電路構(gòu)成完整的逆變電路，實(shí)現(xiàn)將直流電逆變?yōu)榻涣麟姷墓δ�。逆變電路可以由分立元器件或具有各種功能的模塊電路構(gòu)成。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，分立元器件構(gòu)成的逆變電路已經(jīng)退出歷史舞臺。

1.IGBT模塊

在變頻器的應(yīng)用電路中，通常在IGBT的旁邊反向并聯(lián)一個二極管，而且經(jīng)常做成模塊形式，圖2所示就是各種結(jié)構(gòu)的IGBT模塊。

圖2 幾種結(jié)構(gòu)的IGBT模塊

2.IGBT的柵極電阻RG

在圖3中，IGBT的柵極接有一個電阻RG，這個電阻的選擇非常重要，這是因?yàn)镮GBT管的柵極G和發(fā)射極E之間存在著寄生的結(jié)電容CGE，這個電容的充放電將影響到IGBT的工作。RG阻值大，將延長IGBT的開通和關(guān)斷時間；RG阻值太小，IGBT關(guān)斷太快，將使IGBT的C、E極電壓迅速從飽和導(dǎo)通狀態(tài)時的低于3V上升到約為500V以上，這將通過集電極和柵極之間的結(jié)電容UCG產(chǎn)生反饋電流iCG，對IGBT的關(guān)斷起到阻礙作用，甚至發(fā)生誤導(dǎo)通。因此，柵極電阻RG的連接是必須的，不可缺少的。

圖3 富士EXB系列驅(qū)動模塊與IGBT的連接電路

柵極電阻的大小應(yīng)嚴(yán)格按照IGBT的說明書選取。

3.驅(qū)動模塊輸出信號的放大

IGBT是電壓控制型器件，其柵極與發(fā)射極之間的輸入阻抗很大，吸收信號源的電流和消耗的驅(qū)動功率也很小，但由于柵極G與發(fā)射極E之間存在著結(jié)電容CGE，在驅(qū)動信號作用下，也會吸收電流。容量越大的IGBT，CGE也越大，吸收的電流也越大，而驅(qū)動模塊輸出電流有時不足20mA，甚至只有幾mA，所以對于在大容量變頻器中使用的IGBT，驅(qū)動模塊輸出的驅(qū)動信號需要進(jìn)行放大，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動模塊輸出驅(qū)動信號的放大電路

在圖4中，驅(qū)動模塊輸出端3腳與IGBT柵極之間接入了由V3和V4組成的推挽放大電路，將驅(qū)動信號進(jìn)行再次放大，從而滿足大容量IGBT的驅(qū)動需求。

5.智能電力模塊IPM

智能電力模塊IPM是電力集成電路的一種，有時也稱作智能電力集成電路SPIC。

電力電子器件和配套的控制電路，過去都是分立元器件的電路裝置，而今隨著半導(dǎo)體技術(shù)及其相應(yīng)工藝技術(shù)的成熟，已經(jīng)可以將電力電子器件及其配套的控制電路集成在一個芯片上，形成所謂的電力集成電路。這種電路能集成電力電子器件、有源或無源器件、完整的控制電路、檢測與保護(hù)電路，由于它結(jié)構(gòu)緊湊、集成化程度高，從而避免了分布參數(shù)、保護(hù)延遲等一系列技術(shù)問題。

下面介紹變頻器中較常用的以IGBT為主開關(guān)器件的IPM。目前幾十千瓦以下的變頻器已經(jīng)開始采用這種集成度高、功能強(qiáng)大的器件IPM。富士公司R系列IPM的型號含義如圖5所示。

圖5 富士智能電力模塊IPM型號含義

圖6所示為富士7MBP100RA060智能電力模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。模塊內(nèi)部包含7個IGBT和7個功率二極管。其中IGBT1～I(xiàn)GBT6構(gòu)成三相逆變橋，VDF1～VDF6是與6個IGBT反向并聯(lián)的回饋二極管。動力制動由IGBT7作為開關(guān)管，VDW是它的續(xù)流二極管。模塊的16腳ALM端是報警信號輸出端，可對模塊的短路、控制電源欠電壓、IGBT及VDF過電流、VDW過電流、IGBT芯片過熱、外殼過熱等各種運(yùn)行異常實(shí)施保護(hù)，當(dāng)ALM端有報警信號輸出時，IGBT的電流通路被封鎖，IPM受到保護(hù)。

圖6 富士7MBP100RA060智能電力模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由于IPM內(nèi)部的驅(qū)動電路是專門針對內(nèi)部的IGBT設(shè)計的，因此具有最佳的驅(qū)動條件。IPM還內(nèi)含制動電路，即由IGBT7等電路組成，只要在外電路端子P與B之間接入制動電阻，就能實(shí)現(xiàn)制動。

7MBP100RA060智能電力模塊的接線端子使用的符號及其含義如表1所示。

表1  7MBP100RA060智能電力模塊的接線端子符號及其含義

使用IPM模塊構(gòu)成的變頻器應(yīng)用系統(tǒng)如圖7所示。圖中方框內(nèi)是IPM模塊，模塊內(nèi)的電路見圖6。模塊IPM右側(cè)畫出的是連接電動機(jī)、制動電阻的電路，以及整流濾波電路。制動電阻連接在端子P與B之間。模塊左側(cè)連接的是控制信號電路和報警輸出電路。

圖7 IPM模塊在變頻器中的應(yīng)用電路

圖7中的應(yīng)用系統(tǒng)使用4組相互絕緣的控制電源，即UCC1、UCC2、UCC3和UCC4。其中逆變橋的上橋臂使用3組，下橋臂和制動單元共用1組。這4組控制電源還必須與主電源之間具有良好地絕緣。

下橋臂控制電源的GND和主電源的GND已經(jīng)在IPM內(nèi)連接好，在IPM外部絕對不允許再連接，否則將會產(chǎn)生環(huán)流，引起IPM的誤動作，甚至可能破壞IPM的輸入電路。