igbt工作原理及應用

絕緣柵雙極型電晶體（igbt）的保護

引言絕緣柵雙極型電晶體igbt是由mosfet和雙極型電晶體復合而成的一種器件,其輸入極為mosfet,輸出極為pnp電晶體,因此,可以把其看作是mos輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優點,既具有mosfet器件驅動簡單和快速的優點,又具有雙極型器件容量大的優點,因而,在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。

在中大功率的開關電源裝置中,igbt由於其控制驅動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點,已逐步取代閘流體或gto。但是在開關電源裝置中,由於它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它容易損壞,另外,電源作為系統的前級,由於受電網波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大,故igbt的可靠性直接關係到電源的可靠性。因而,在選擇igbt時除了要作降額考慮外,對igbt的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的乙個環節。

1 igbt的工作原理

igbt的等效電路如圖1所示。由圖1可知,若在igbt的柵極和發射極之間加上驅動正電壓,則mosfet導通,這樣pnp電晶體的集電極與基極之間成低阻狀態而使得電晶體導通;若igbt的柵極和發射極之間電壓為0v,則mosfet截止,切斷pnp電晶體基極電流的供給,使得電晶體截止

由此可知,igbt的安全可靠與否主要由以下因素決定：

——igbt柵極與發射極之間的電壓;

——igbt集電極與發射極之間的電壓;

——流過igbt集電極－發射極的電流;

——igbt的結溫。

如果igbt柵極與發射極之間的電壓,即驅動電壓過低,則igbt不能穩定正常地工作,如果過高超過柵極－發射極之間的耐壓則igbt可能永久性損壞;同樣,如果加在igbt集電極與發射極允許的電壓超過集電極－發射極之間的耐壓,流過igbt集電極－發射極的電流超過集電極－發射極允許的最大電流,igbt的結溫超過其結溫的允許值,igbt都可能會永久性損壞。

2 保護措施

在進行電路設計時,應針對影響igbt可靠性的因素,有的放矢地採取相應的保護措施。

2．1 igbt柵極的保護

igbt的柵極－發射極驅動電壓vge的保證值為±20v,如果在它的柵極與發射極之間加上超出保證值的電壓,則可能會損壞igbt,因此,在igbt的驅動電路中應當設定柵壓限幅電路。另外,若igbt的柵極與發射極間開路,而在其集電極與發射極之間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由於柵極與集電極和發射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位公升高,集電極－發射極有電流流過。這時若集電極和發射極間處於高壓狀態時,可能會使igbt發熱甚至損壞。

如果裝置在運輸或振動過程中使得柵極迴路斷開,在不被察覺的情況下給主電路加上電壓,則igbt就可能會損壞。為防止此類情況發生,應在igbt的柵極與發射極間並接乙隻幾十kω的電阻,此電阻應盡量靠近柵極與發射極。如圖2所示。

由於igbt是功率mosfet和pnp雙極電晶體的複合體,特別是其柵極為mos結構,因此除了上述應有的保護之外,就像其他mos結構器件一樣,igbt對於靜電壓也是十分敏感的,故而對igbt進行裝配焊接作業時也必須注意以下事項：

——在需要用手接觸igbt前,應先將人體上的靜電放電後再進行操作,並盡量不要接觸模組的驅動端子部分,必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉;

——在焊接作業時,為了防止靜電可能損壞igbt,焊機一定要可靠地接地。igbt在不間斷電源的應用.

2．2 集電極與發射極間的過壓保護

過電壓的產生主要有兩種情況,一種是施加到igbt集電極－發射極間的直流電壓過高,另一種為集電極－發射極上的浪湧電壓過高。

2.2.1 直流過電壓

直流過壓產生的原因是由於輸入交流電源或igbt的前一級輸入發生異常所致。解決的辦法是在選取igbt時,進行降額設計;另外,可在檢測出這一過壓時分斷igbt的輸入,保證igbt的安全。

2.2.2 浪湧電壓的保護

因為電路中分布電感的存在,加之igbt的開關速度較高,當igbt關斷時及與之並接的反向恢復二極體逆向恢復時,就會產生很大的浪湧電壓ldi/dt,威脅igbt的安全。

通常igbt的浪湧電壓波形如圖3所示。

圖中：vce為igbt?電極－發射極間的電壓波形;

ic為igbt的集電極電流;

ud為輸入igbt的直流電壓;

vcesp=ud＋ldic/dt,為浪湧電壓峰值。

如果vcesp超出igbt的集電極－發射極間耐壓值vces,就可能損壞igbt。解決的辦法主要有：

——在選取igbt時考慮設計裕量;

——在電路設計時調整igbt驅動電路的rg,使di/dt盡可能小;

——盡量將電解電容靠近igbt安裝,以減小分布電感;

——根據情況加裝緩衝保護電路,旁路高頻浪湧電壓。

由於緩衝保護電路對igbt的安全工作起著很重要的作用,在此將緩衝保護電路的型別和特點作一介紹。

—c緩衝電路如圖4(a)所示,採用薄膜電容,靠近igbt安裝,其特點是電路簡單,其缺點是由分布電感及緩衝電容構成lc諧振電路,易產生電壓振盪,而且igbt開通時集電極電流較大。

——rc緩衝電路如圖4(b)所示,其特點是適合於斬波電路,但在使用大容量igbt時,必須使緩衝電阻值增大,否則,開通時集電極電流過大,使igbt功能受到一定限制。

——rcd緩衝電路如圖4(c)所示,與rc緩衝電路相比其特點是,增加了緩衝二極體從而使緩衝電阻增大,避開了開通時igbt功能受阻的問題。

該緩衝電路中緩衝電阻產生的損耗為

p=li2f＋cud2f式中：l為主電路中的分布電感;

i為igbt關斷時的集電極電流;

f為igbt的開關頻率;

c為緩衝電容;

ud為直流電壓值。

——放電阻止型緩衝電路如圖4(d)所示,與rcd緩衝電路相比其特點是,產生的損耗小,適合於高頻開關。

在該緩衝電路中緩衝電阻上產生的損耗為

p=1/2li2f+1/2cuf

根據實際情況選取適當的緩衝保護電路,抑制關斷浪湧電壓。在進行裝配時,要盡量降低主電路和緩衝電路的分布電感,接線越短越粗越好。

igbt在不間斷電源的應用

igbt工作原理及應用

IGBT工作原理

IGBT的工作原理

IGBT系列焊機工作原理

igbt工作原理及應用

IGBT工作原理

IGBT的工作原理

IGBT系列焊機工作原理

相關推薦