變頻器中的IGBT與功能模塊詳解

一、IGBT簡介

1.IGBT的技術特點

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

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）綜合了GTR與MOSFET的優點，是以達林頓結構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和發射極E，具有通流電流大，驅動功率小，驅動電路簡單，開關速度快等良好的特性，自從20世紀80年代開始投入市場，應用領域迅速擴展，目前已經取代GTR和GTO，成為大、中功率電力電子設備的主導器件，該器件的工作電壓和電流容量也在逐漸提高。

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

圖1 IGBT內部等效電路及圖形符號

2.IGBT的技術參數

IGBT的主要技術參數有如下幾個：

1）集電極最大允許電流ICM：IGBT在飽和導通狀態下，允許持續通過的最大電流。

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

3）集電極-發射極額定電壓UCEX：IGBT的柵極-發射極短路、管子處在截止狀態下集電極與發射極之間能承受的最大電壓。

4）開通時間與關斷時間：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-發射極飽和電壓UCES：IGBT在飽和導通狀態下，集電極與發射極之間的電壓降。

6）漏電流ICEO：IGBT在截止狀態下的集電極電流。

3.IGBT的使用注意事項

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

1）一般IGBT的驅動級正向驅動電壓ＵGE應保持在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)關斷IGBT的柵極驅動電壓-ＵGE應大于5V，若這個負電壓值太小，集電極電壓變化率du/dt可能使管子誤導通或不能關斷。

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

4)設備短路時，IC電流會急劇增加，使ＵGE產生一個尖脈沖，這個尖脈沖會進一步增加IC電流，形成正反饋。為了保護管子，可在柵極—發射極間加一個穩壓二極管，鉗制G-E電壓突然上升。當驅動電壓為15V時，穩壓管的穩壓值可以為16V。

二、變頻器中的模塊逆變電路

在變頻器中，由IGBT以及相應的驅動控制、保護電路構成完整的逆變電路，實現將直流電逆變為交流電的功能。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成。隨著技術的發展和進步，分立元器件構成的逆變電路已經退出歷史舞臺。

1.IGBT模塊

在變頻器的應用電路中，通常在IGBT的旁邊反向并聯一個二極管，而且經常做成模塊形式，圖2所示就是各種結構的IGBT模塊。

圖2 幾種結構的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，這是因為IGBT管的柵極G和發射極E之間存在著寄生的結電容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的開通和關斷時間；RG阻值太小，IGBT關斷太快，將使IGBT的C、E極電壓迅速從飽和導通狀態時的低于3V上升到約為500V以上，這將通過集電極和柵極之間的結電容UCG產生反饋電流iCG，對IGBT的關斷起到阻礙作用，甚至發生誤導通。因此，柵極電阻RG的連接是必須的，不可缺少的。

圖3 富士EXB系列驅動模塊與IGBT的連接電路

柵極電阻的大小應嚴格按照IGBT的說明書選取。

3.驅動模塊輸出信號的放大

IGBT是電壓控制型器件，其柵極與發射極之間的輸入阻抗很大，吸收信號源的電流和消耗的驅動功率也很小，但由于柵極G與發射極E之間存在著結電容CGE，在驅動信號作用下，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，驅動模塊輸出的驅動信號需要進行放大，如圖4所示。

圖4 驅動模塊輸出驅動信號的放大電路

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

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，而今隨著半導體技術及其相應工藝技術的成熟，已經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、檢測與保護電路，由于它結構緊湊、集成化程度高，從而避免了分布參數、保護延遲等一系列技術問題。

下面介紹變頻器中較常用的以IGBT為主開關器件的IPM。目前幾十千瓦以下的變頻器已經開始采用這種集成度高、功能強大的器件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智能電力模塊的內部結構圖。模塊內部包含7個IGBT和7個功率二極管。其中IGBT1～IGBT6構成三相逆變橋，VDF1～VDF6是與6個IGBT反向并聯的回饋二極管。動力制動由IGBT7作為開關管，VDW是它的續流二極管。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、外殼過熱等各種運行異常實施保護，當ALM端有報警信號輸出時，IGBT的電流通路被封鎖，IPM受到保護。

圖6 富士7MBP100RA060智能電力模塊內部結構圖

由于IPM內部的驅動電路是專門針對內部的IGBT設計的，因此具有最佳的驅動條件。IPM還內含制動電路，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，就能實現制動。

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模塊構成的變頻器應用系統如圖7所示。圖中方框內是IPM模塊，模塊內的電路見圖6。模塊IPM右側畫出的是連接電動機、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用電路

圖7中的應用系統使用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已經在IPM內連接好，在IPM外部絕對不允許再連接，否則將會產生環流，引起IPM的誤動作，甚至可能破壞IPM的輸入電路。

 

 

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