（电力电子与电力传动专业论文）10kv高压变频器中igbt串联均压的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 ，_ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ r e s e a r c l ao n v o l t a g eb a l a n c i n g o f s e r i e sc o l m e e t i o no f i g b t s i na l o k v i - i i g hv o l t a g ef r e q u e n c y c o n v e r t e r a b s t r a c t t h et e c h n i q u ef o ra ca d j u s t i gs o e e di s1 3 m a i nl l l e l n so fs a v i n gp o w e r , i m p r o v i n g i n d u s t r i a lf l o wt oi m p r o v e q u a l i t yo f p r o d u c t sa n de n v i r o n m e n t , a d v a n c i n g t h e d e v e l o p m e n to f t e c h n i q u e t h ev a r i a b l ef r e q u e m ya n ds o e e aa d j u s t i n gt e c h n i q u ei sc o m m o n l y c o n s i d e r e da p r o m i s i n g m e t h o df o ri t sa d v a n t a g e so f h i 班a 哇i u s t i r i gs p e e da n d s t a r t m _ g - s t o p p i n gp e r f o r m a n c e ， l l i g he f f i e i e n e ya n dp o w e rf l t d l o r , a n dt h ee f f e c to fp o w e r 鞠、r i 】l l g i nv a r i o u sm e t h o d sf o r a d j u s t i n g 删h o w c v e r ，t h ed e v e l o p m e n t o fv a t i a b l e f i e q u e n e y a n da d j u s t i n g s p e e c l t e c h n i q u e h a sad o s e r e l a t i o n s h i pw i t h t h e d e v e l o p m e n to f p o w e r d e v i c e s a st h ec o r eo f m a i nc i r c u i ti n 矗氐l u e l 】i c yc a 哪，a 吒p o w e rs w i t c hd e v i c e s p l a y 锄i m p o r t a n t r o l ei nt h ec i r c u i t i g b ti sa p p l i e dw i d e l yf o ri t sa d v a n t a g e so fh i g hi n p u tr e s i s t a n c e ，h i g h o p e r l 衄s p e e d ，l o w f o r w a r dv o l t a g e ，b i g l lc a l r y i i l gc a p a c i t ya n de a s i e rd r i v i n g h o w e v t h e v o l t a g ea n dc u r r e n tr a t i n g so fi g b td e v i c ea 心l o wa n dc a n n o t 鞠疽s 母t h er e q 咖e n t sf o r d e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o na n dt e c h n i q u eo fp o w e re l e e l r o n i e s t or e a l i z ef i l eh i i g hv o l t a g e a p p l i c a t i o no fi g b t ，r e s e a r c h i n gt h et e c h n i q u ef o rs e r i e sc o n n e c t i o no fi g b t sh a se 1 v e r y i m p o r t a n tm e a n i n g t h ee n t i r es u b j e c ti st or e s e a r c hv o l t a g eb a l a n c i n go fs e r i e sc o l l l 3 硎o no fi g b t s a g a i n s t t h e b a c k g r o u n d o f al o k v h i g hv o l t a g e 触，q 岫珂c o n v e r t e r i nt h es u b j e c t , av o l t a g eb a l a n c i n g c i r c u i ti sd e s i g n e aa a x lap r o b l e mo ni g b tn o t a p p l i e di nh i g hv o l t a g ef r e q u e n c yc o r l v e l t e rf o r i t sl i m i t e dv o l t a g e r a t i n e , si ss o l v e d f i 峨t h i sp a p e rn a r r a t e ss o m em a i nk n o w l e d g ea b o u ti g b t s u c ha si t s s t r u c t u r e , o p e r a t i o np r i n c i p l e ，b a s l ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o t e c t i o nm e t h o d s s e c o n d l y , t h i sp a p e r a n a l y z e s t h ef a c t o r si ni n f l u e n c i n go p e r a t i o no fs e r i e sc o n n e c t i o no fi g b t sa n dc o m p a r e sl o a d - s i d e v o l t a g eb a l a n c i n gt e c h n i q u ew i t hg a t e - s i d ev o l t a g eb a l a n c i n gt e c h n i q u e ，a n d p r e s e n t sac o n t r o l m e t h o d o f g a t e s i d ec l y n a m i ev o l t a g eb a l a n c i n g f u r t h e r m o r e ，ac h o p p e rc i r c u i tt h a tc o n s i s t so f 2 沈阳工业犬学硕七学位论文 t w os e r i e s - c o r a l e c t e di g b ti sd e s i g n e da n dt h es a t i s f a c t o r ys i m u l a t i o nr e s u l t sa r eo b t a i n e db y s i m u l a t i n gv o l t a g ei m b a l a n c e , a n d t h ef e a s i b i l i t yo f v o l t a g e b a l a n c i n g c i r c u i ti st e s t i f i e d f i n a l l y , ac h o p p e rc i r c u i tt h a tc o n s i s t so f s i xs e r i e s c o n n e c t e d1 g b t si ss e tu p t h e e x p e r i m e n l a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ev o l t a g eb a l a n c i n gc i r c u i tc a nm s 仃m n v o l t a g ei m b a l a n c e d u r i n gs 、i t c m n gt r a n s i e n ti nt h ec i r c u i to f s e r i e sc o n n e c t i o no fi g b ta n dt h ep r o b l e mo n i g b tn o t a p p l i e d i na1 0k v h i g hv o l t a g ef i e q u e n c yc o n v e c t e l i ss o i v e d k e yw o r d s ：i n s i i l a t e dg 疵b i p o l a rt r a n s i s t o r , s e r i e sc o n n e c t i o n , v o l t a g eb a l a n c i n g , h i g h v o l t a g ef r e q u e n c y c o n v e r t e r 一3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：墨霪蓝一 日期：埘喜，1 2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 翌：堕笙 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近年来，随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术的迅速发展，交流调速 系统已广泛应用于矿山、冶金、能源、交通运输及机械等工业领域，取得了明显的 经济效益。在众多交流调速方式中，变频调速班其优异的调速和起制动性能，商效 率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最 有发展前途的调速方式口q 。然而，变频调速技术的发展始终与电力电子元器件的发 展密不可分，从大功率二极管到可控硅器件，再从i g b t 到i g c t ，每一次元器件的 飞跃都会带动变频技术的发展。 作为变频器主电路的核心，功率开关器件的选择尤为重要。性能优良的开关器 件能提高变频器的性能，可以承受恶劣的工作条件。传统的半控型电力电子器件， 如晶闸管( s c r ) ，只能通过门极控制信号使其开通，而不能使其关断。要想关断 这些器件必须另外使用由电感、电容和辅助电源组成的强迫换相电路，结果使得整 机体积增大、重量增加、效率降低且可靠性下降。7 0 年代后期，各种高速、全控型 器件先后问世，如门极可关断晶闸管( g 1 d ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场控晶 体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静 电感应晶闸管( s i t h ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 等【4 l 。由于这些功率电力电子器 件的出现，使以往变流装置中的普通晶闸管逐渐被这些新型器件所取代，掰的结构 紧凑的变流电路随之出现，许多早期的变流方式再次焕发青春，过去难以实现的控 制方式也得以实现。这一切使电力电予技术具有了全新的面貌，实现了现代电力电 子技术的全控化、集成化、高频化和多功能化1 5 一。 不同的全控型电力电子器件依据各自的特性和容量在广阔的应用领域中占有自 己适当的位置。在全控型器件中，g t o 是耐压最高、电流容量最大的种器件，但 其工作频率比较低，驱动电路复杂，主要占据着机车牵引、大容量的不间断电源等 领域。电力m o s f e t 是一种单极型压控器件具有输入阻抗高、驱动功率小、开关速 度快等优点，在中小功率场合应用广泛，但由于半导体工艺和材料的限制，迄今为 沈阳工业大学顽士学位论文 止还难以制成兼有高电压和大电流特性的m o s f e t 。g t r 是一种双极型大功率晶体 管，其优点是控制方便、开关时间短、通态压降低、载流能力强，但存在着二次击 穿的问题和耐压难以提高的缺点，阻碍了它的进一步发展f 7 】。2 0 世纪8 0 年代后期出 现的i g b t 是一种新型的复合器件，它是m o s f e t 和g t r 的复合，它把m o s f e t 的输入阻抗大、开关速度快的优点和g t r 的通态压降低、载流能力强的优点集于 身，使其性能更加优越，因而发展很快，应用很广，已成为当前电力半导体器件发 展的重要方向，是一种比较理想的全控型器件蝉j 。表1 1 列举了m o s f e t 、g t r 、 i g b t 的主要特性比较。 表1 1m o s f e t 、g t r 、i g b t 的主要特性比较 比较项目 g t r孙0 s f e l i g b t 驱动模式电流电压电压 驱动电路复杂简单简单 驱动功率高低低 输入阻抗低高高 开关速度慢( i t s )高( n s )中 下作频率较低高中 安全区域窄宽宽 饱和压降低高低 从发展趋势来看，电力电子器件正向更大功率容量、更高电压等级以及更高的 频率特性等技术方向发展，但是目前单只i g b t 器件的电压等级和电流容量还很有 限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求。例如，在节能和改善电网质量、 远距离岛屿输电、高压变频器及有振滤波器等方面，要求器件具有更高的电压等 级。尤其是在特高压的许多领域中，要求器件的电压等级能达到1 0 k v 和2 0 k v 以 上，但是目前还没有商品化的单只i g b t 器件能达到这种电压等级。虽然e u p e c 正 。在开发6 5 k v 电压等级的i g b t 器件，但与实际需求还有很大差距。因此，要想使 i g b t 实现高压应用，研究i g b t 的串联应用技术，不仅具有十分重要的意义，而且 具有十分重要的应用价值和良好的市场前景。 沈阳工业丈学硕士学位论文 1 2 高压大功率变频器的发展现状 近1 0 年来，交流调速技术在风机、水泵节能及其它领域得到了广泛的推广，电压 在3 8 0 v 以下的低压小功率变频器已大量使用。但是在工业领域中，高压大功率的传动 机械、大功率风机、水泵占主要地位，例如钢铁工业的轧钢机、高炉鼓风机、炼钢制氧 机、除尘风机；石油化工的大型输油泵；化工生产的压缩机；电力工业的给水泵、引风 机；煤矿的排水泵和排风扇以及城市建设的自来水供水泵等等，驱动电机都是 4 0 0 - 4 0 0 0 0 k w 、3 1 0 k v 的大功率中高压交流电机，这就需要相应的中高压大功率变频 器。所谓中高压变频器通常指驱动电压等级在l k v 以上交流电动机的中、大容量变频 器。按照国际惯例和有关标准，供电电压大于或等于1 0 k v 时称高压，大于l k v 而小于 1 0 k v 时称中压。由于我国没有对电压范围为“中压”的电气设备做出明确的界定，大 家习惯上把额定电压为3 k v 或6 k v 的电机和l o k v 电机一样，统称为“高压电机”。把 与之对应的驱动变频器称为“高压变频器”。高压变频器的拖动对象是高压电机，其功 率都在2 0 0 k w 以上，而且由于大功率电力电子器件的容量和它的额定电压是相互联系 的，即额定电压高的器件其容量相对也大。因此，例如6 k v 额定电压的高压变频器， 其最小盼输出功率也是5 0 0 1 0 0 0 k w ，而且从价格的合理性来说，6 k v 高压变频器最好 是1 0 0 0 k w 以上。在国外，已有多种不同的中压电机和变频器标准，针对不同的功率范 围，可得到最佳经济效益。虽然由于电压高、功率大、技术复杂等因素，高压变频器的 产业化在8 0 年代中期才开始形成，但随着大功率电力电子器件的迅速发展和巨大市场 的推动力，高压交频器近十多年的发展非常迅速，其使用的半导体器件已经从s c r 、 g t o 、g t r 发展到i g b t 和i c , - c t ，功率范围从几百千瓦到几十兆瓦，技术上趋于成 熟，可靠性得到保障，使用面越来越广p “】。 目前，在低压交频调速技术方面，变频调速技术的运用已经比较成熟。但在高压方 面，由于变频器的核心器件功率开关器件的耐压能力所限，造成了现在的高压变频 器不像低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构。组成高压变频器的功率器件的 耐压能力在长时间内还不可能满足高压变频调速的需要。因此，如何解决商压变频器中 的功率器件耐压能力问题，成为世界性的技术难题川。高压大功率变频器根据电压组成 方式，可分为直接高压型和高一低一高型；根据有无中间直流环节，可以分为交交变频器 沈阳工业大学硕士学位论文 和交一直一交变频器。在交直一交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源 型( 也称电压型) 和电流源型( 也称电流型) 变频器。高低一高型变频器采用变压器实 行输入降压、输出升压的方式，其实质上还是低压变频器，只不过从电网和电动执两端 来看是高压的，这是受到功率器件电压等级技术条件的限制而采取的变通办法，该方法 需要输入、输出变压器和中间低压环节，存在电流大、效率低、占地面积大等缺点，只 用于一些小容量高压电动机的简单调速。常规的交交变频器由于受到输出最高频率的 限制，只用在一些低速、大容量的特殊场合。直接高压交- 直- 交变频器能直接输出高 压，无需输出变压器、效率高、输出频率范围宽，应用较为广泛。在交直一交变频器 中，按主电路的拓扑结构来分，高压变频器又可有如下几种类型 1 如1 6 1 ： ( 1 ) 中性点钳位三电平p w m 变频器 1 9 8 0 年在i a s 年会上，日本长冈科技大学的a n a b a e 等人首次提出了三电平逆变 器( n e u t r a lp o i n tc l a m p e d ，n p c ) 技术，这种逆变器结构减小了开关损耗和每个开关器 件承受的电压，进而改善了输出电压波形，减小了转矩脉动。 图1 1 为个三相二极管钳位三电平逆变器主电路的基本结构，其中分压电容c 1 、 c 2 相同，所以每个电容上电压均为e 2 ，d 卜0 2 为每个桥臂上的两只钳位二极管， v t iv t 4 为每个桥臂上的四只大功率开关器件，其中每两只开关器件同时处于导通或 关断状态，从而得到不同的开关状态组合及相应的输出电压。由图1 1 可以看出，当 v t i 、v t 2 导通和v t 3 、v t 4 关断时，逆变器u 相输出电压为+ e 2 ( 直流母线正端对电 容中点0 的电压) ，即p 状态；当、喁、v r 4 导通和v t l 、v t 2 关断时，输出电压为一 e 2 ，即n 态；当v t 2 、d l 导通或v r 3 、d 2 导通时，输出电压为0 ，即通过钳位二极管 的导通把u 点钳位在零电位上。由于钳位二极管的作用，使每相输出电压在e 2 之外 又多了一个电平0 ，则线电压就有五个电平，即耽、- + e 和0 ，电平的增加可使输出 电压接近正弦波。由于中性点钳位三电平p w m 变频器的逆变部分采用了传统的三电平 方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固 有的。因此在变频器的输出侧必须配置输出l c 滤波器才能用于普通的笼型电动机。同 样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在 沈阳工业太学碗上学位论文 额定】：况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降 低。 p n 图1 1 三相二极管钳位三摩平逆变器主电踌 ( 2 ) 单元串联多重化电压源型高压变频器 单元串联多重化电压源型高压变频器利用低压单相变频器串联，弥补功率器件耐压 能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由多个 绕组的移相隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制，并以光导纤维隔离驱动。美国 罗宾康( r 1 3 b i c o n ) 公司首先使用了这种直接高压输出控制技术，其原理如图1 ，2 所 示。每相功率逆变器由五个低压功率单元的输出端串联而成，按星形连接成三相输出， 实现变j 最变频的高压直接输出，供给高压电动机。电网电压经过输入隔离变压器的二次 侧将三相电源电压转换成1 5 个独立的交流电源，为1 5 个功率单元供电，每个功率单元 提供1 t 5 的相电压，承受全部的输出电流。如果变频器的额定输出电压是6 k v ，则每个 功率单元的额定电压应为6 9 0 v 左右，变频器的输出相电压为3 4 5 0 v 。每个功率单元的 电压等级和每相功率器件的串联数量决定了变频器的输出电压，功率单元的额定电流决 定变频器的输出电流。此电路的主要优点是：由于直流侧的直流电源相互分离，不存在 给电容均压的问题；由于每个功率单元构造相同，便于模块化设计和制造，系统可靠性 高；当某一级逆变电桥出现故障时，就被旁路掉，剩余模块可不间断供电，以减少生产 损失；另外，由于这种电路可以使变频器的输出电压波形非常接近正弦波，所以不存在 也一也 也一也 rt。叶t 研 一 占i 婆塑! 些查兰堡主兰垡堡兰一一 由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动的问题，可以使用普通的高压异步电动机，而 且在正常的调速范围内对电网谐波污染小。 图1 2 三相星形连萄 串联多电平逆变器 其缺点是：1 ) 使用的功率单元及功率器件数量太多，装置的体积庞大，安装位置 和基建投资成问题。2 ) 所需高压电缆和接线太多，系统的内阻无形中增大，故障点相 应地增多。3 ) 一个单元损坏时，该单元可被旁路掉，但此时输出电压不平衡，中性点 的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡从而使谐波相应增大，勉强运行时终究会导致 电动机的损坏。4 ) 输出电压波形在额定负载时尚好，低于2 5 h z 以下畸变突出。5 ) 由 沈阳t 业大学硕士学位论文 于系统中存在在着变压器，系统效率再提高不容易实现。在移相变压器中，6 k v 三相6 绕组x 3 ( 1 0 k v 时需1 2 绕组3 ) 延边三角形接法，在三相电压不平衡( 实际上三相电 压是不可能绝对平衡的) 时，产生的内部环流，必将引起内阻的增加和电流的损耗，也 相应地造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器铁心的固有损耗，变压器的效率 就会降低，也就影响了整个高压变频器的效率。这种情况在越低于额定负荷运行时，越 是显著。1 0 k v 时，变压器有近4 0 0 个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率可达 9 6 ，但在轻负荷时，效率低于9 0 0 0 。 ( 3 ) 多电平+ 多重化高压变频器 多电平+ 多重化高压变频器的本意是想解决高压i g b t 耐压有限的问题，但此种方 式，不仅增加了系统的复杂性，而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优 点。因此此类变频器实际上并不可取，而且此类型变频器的性能价格优势并不大，与其 同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用前面提到的高压i o b t 的多重化变频器 或者三电平变频器。 ( 4 ) 电流源型高压变频器 功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将s c r ( 或 g t o 、s g c t 等) 开关速度较慢的功率器件直接串联而构成。这种方式虽然使用功率器 件少、易于控制电流，但是没有真正解决高压功率器件的串联问题，因为即使功率器件 出现故障，由于大电感的限流作用，d d t 受到限制，功率器件虽不易损坏，但带来的问 题是对电网污染严重、功率因数低。并且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的 变化敏感，无法做成真正的通用型产品。电流源型高压变频器是最早的产品，但凡是电 压源型变频器到达的地方，它都将被迫退出，因为在经济上、技术上，电流源型高压变 频器都明显处于劣势。 正是由于目前高压变频器主电路的拓扑结构，都有其自身的局限性，所以人们才不 断地对其进行研究，以生产出高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入、 输出谐波的高压变频器。而随着新的电力电子器件的不断诞生，控制技术的不断完善， 计算机技术的不断发展，高鹾大功率变频器将在国家的工业生产中起到更加重要的作 用。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 本课题以1 0 k v 高压变频器为背景，对i g b t 直接串联的均压问题进行研究，以解 决由于目前单只i g b t 有限的耐压值而使其不能在高压变频器中应用的问题。为实现上 述目标，论文需完成以下工作： ( 1 ) 熟悉i g b t 的结构、工作原理、基本特性及各种保护方法，对影响i g b t 串联 运行的因素进行研究，并对负载侧均压和栅极侧均压两种控制方案进行比较，提出均压 控制方法。在此基础上设计出均压控制电路。之后，对i g b t 串联的斩波电路进行仿 真，通过模拟过电压失衡现象，验证均压控制电路的有效性。 ( 2 ) 对c o n c e p t 公司的2 s d 3 1 5 a 专用驱动电路在可靠性、性能指标、保护功 能、性价比、易维护性等方面进行分析，并在此基础上针对高压逆变电路实际运行 中存在的问题提出改进方案，经实验测试后确定适用于不同功率容量的实际驱动电 路，最后成功实现6 只额定值为3 3 0 0 v 的i o b t 模块串联在1 3 5 k v 高压斩波电路中 的稳定运行。 沈阳t 业大学硕十学位论文 2 i g b t 简介 全控型电力半导体器件( g t r 、功率m o s f e t 和g t o ) 各具有特色又各有所 限。功率m o s f e t 是单极型电压驱动器件，具有工作速度快、输入阻抗高、热稳定 性好以及驱动电路简单等优点，但是导通电阻大，电流容量较低，阻断电压也低。 g t r 和g t o 是双极型电流驱动器件，其阻断电压高，载流能力强，但是】：作速度 慢，驱动电流大，控制电路比较复杂。由于各有所限，使它们在新型电力电子装置 中的应用受到限制。近年来出现的许多新型复合器件，它们将前述单极型和双极型 器件的优点集于一身，扬长避短，使其特性更加优越，因而发展很快，应用很广， 已成为当前电力半导体器件发展的重要方向，其中尤以1 g b t 最为突出。 2 1i g b t 的结构和工作原理 2 1 1i g b t 的基本结构 i 3 b t 的结构剖面图如图2 1 所示。由图可知，i g b t 是在功率m o s f e t 的基础 上发展起来的，两者结构十分相似，不同之处在于i g b t 在功率m o s f e t 的基础上 增h i t 一个p 十层发射极，可形成p n 结j ，并由此引出集电极，另步 它的栅极和发 射极与m o s f e t 的栅极和源极相类似【珀1 。 图2 1i g b t 的结构剖面图 为了提高i g b t 的性能，通常在n 基区增加一个矿缓冲层，有n + 缓冲层的i g b t 称为穿通型i g b t ，其反向阻断能力弱，但其正向压降低、关断时间短、关断尾部电流 - 9 沈阳工业大学硕上学位论文 小。无盯缓冲层的i g b t 称为非穿通型i g b t ，它具有识反向阻断能力，但其他特性如 正向通态压降、关断时间、防闭锁能力等都不及穿通型i g b t 。 。一 a )b ) 图2 2i g b t 的衡化等效电路与n - i g b t 的图形符号 - ) 等效电路b ) 图形符号 ( d ) ( s ) 由结构图可以看出，i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区g t r ，其简化等 效电路如图2 2 a 所示，图中电阻j 是厚基区g t r 基区内的扩展电阻，r b r 是并联在 n p n 晶体管基极和发射极之间的体区电阻。i g b t 是以g t r 为主导元件，m o s f e t 为 驱动元件的达林顿结构。n 沟道i g b t 的图形符号如图2 2 b 所示，m o s f e t 为n 沟道 型，g t r 为n 诤型。对于p 沟道i g b t ，其图形符号中的箭头方向恰好相反。 2 1 2i g b t 的工作原理 i g b t 的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极施以正电压时，m o s f e t 内形成沟道，并为p n p 晶体管提供基极电流，从而使i g b t 导通。此时从 r 区注入 到n 一区的空穴( 少子) 对n 一区进行电导调制，减小n 区的电阻胄d r ，使阻断电压高 的i g b t 也具有低的通态压降。当栅极上施以负电压时，m o s f e t 内的沟道消失， p n p 晶体管的基极电流被切断，i g b t 即被关断。 当e 为正时，有两种可能： ( 1 ) 若栅极电压小于开启电压，即v o e v g e ( m ) 时，绝缘栅极下面的沟道形成， n + 区的电子通过沟道进入n 一漂移区，漂移到j 3 结，此时j 3 结呈正向偏置状态，也 向n 一区注入空穴，从而在n 一区产生电导调制，使器件正向导通。 在i g b t 导通之后，若将栅极电压突然降至零，则沟道消失，通过沟道的电子 电流为零，使集电极电流有所下降，但由于n 一区中注入了大量的电子和空穴对，因 而集电极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。 2 2i g b t 的基本特性和主要参数 2 2 li g b t 的静态特性 i g b t 的静态特性主要是指转移特性和输出特性，如图2 3 所示，其中图a 为转移 特性，图b 为输出特性盼2 0 。 馏 瓢 医 ，t 增j l ，_ 反向阻断区 i i | i l l 口i l 届醚- 0 y b ) 圈2 3i g b t 的静态特性曲线 a ) 转移特性b ) 输出特性 i g b t 的转移特性是指集电极电流而与栅极控制电压之间的关系曲线。当栅埘 极电压小于开启电压p 磕时，i g b t 处于关断状态。在i g b t 导通后的大部分集电 极电流范围内，忌与基本呈线性关系。在实际应用中，经常利用检测i g b t 的饱和 导通压降来推算其集电极电流的大小以确定i g b t 是否过流。最高栅谢极电压受最大集 电极电流限制，一般其最佳值取为1 5 v 左右。 沈阳t 业大学硕士学位论文 i g b t 的输出特性是指以栅一射电压e 为参变量时，集电极电流和集射极电压之间 的关系曲线。输出集电极电流七受栅埘极电压的控制，v 6 e 越高，七越大。因此， 在集电极过流或过流保护时，及时地降低e 能够抑制集电极电流的幅值，有利于 i g b t 的保护。其输出特性可以分为三个区域：f 向阻断区、有源区和饱和区。一般在 电力电子电路中，i g b t 工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转 换。另外，i g b t 栅埘极反向阻断电压只能达到几十伏的水平，即使自然界中的静电有 时也可以击穿并损坏i g b t ，因此在运输和使用的时候一定要特别注意。 2 2 2i g b t 的动态特性 i g b t 的动态特性包括开通过程和关断过程两个方面。i g b t 的开关过程波形如 图2 4 所示，从驱动电压v g e 的前沿上升至其幅值的1 0 的时刻起，到集电极电流 坛上升至其幅值的1 0 的时刻为止，这段时间为开通延迟时间t d ( o n ，；七从疋m 的 1 0 上升至i c m 的9 0 所需的时间为电流上升时间玉。因此，i g b t 的开通时间为 开通延迟时间与电流上升时间之和。 1 0 0 o i i l：1 ii i i l ： 钿ii 恤； i i：- r _ r q 于吾每= = 乏三差鲁 图2 4i g b t 的开关过程波形 沈阳工业大学硕士学位论文 同样，在开通时，集射极电压7 c e 的下降时间分为柏和沁两段。前者为i g b t 中 m o s f e t 单独_ _ _ r 作时的电压下降时间，后者为m o s f e t 和p n p 晶体管同时工作的电压 下降时间。只有在段结束时，i g b t 才能完全进入饱和状态。i g b t 在开通过程中大 部分时间是作为m o s f e t 来运行的。i g b t 关断时，从驱动电压v o e 的脉冲后沿下降到 其幅值的9 0 0 的时刻起，到集电极电流下降至h 的9 0 * * 为止，这段时间为关断延迟时 问趣圃；集电极电流从b 的9 0 下降至i c m 的1 嗽段时间为电流下降时间，二者之 和为i g b t 的关断时间。电流下降时间可分为抽和缸两段。其中抽对应i g b t 内部 m o s f e t 的关段过程，此时间段内五。下降较快；缸对应i g b t 内部p n p 晶体管的关段 过程，此时间段内尼下降较慢。 2 2 3i g b t 的主要参数 i g b t 的主要参数包括：电压、电流、开关时间、工作频率、功率损耗以及温度等 8 1 3 、2 1 1 。 ( 1 ) 电压参数 1 ) 栅- 射极短路时的最大集埘极直流电压v c e s ： 2 ) 栅极开路时允许的最大集射极直流电压b d ； 3 ) 集- 射极饱和电压埯b i g b t 饱和导通并流过额定电流时的集射极电压： 4 ) 橱极开启电压v c , f i t h ) 在规定的集电极电流和集射极电压条件下的栅射极电 压，通常指能使i g b t 导通的最小电压。 5 ) 绝缘电压外壳与管芯绝缘的i g b t 模块，在其三个电极完全短路的情 况下，三个电极与冷却体接触面闻能容许的正弦波最高绝缘电压，一般指交流有效 值。 6 ) 集- 射极反向电压y e c s 集成有续流二极管的i g b t ，在二极管处二 导通状 念时，在集一射极问测得的二极管j ：f 向压降。 ( 2 ) 电流参数 1 ) 集电极额定电流c n 在额定测试温度下，所允许的集电极最大直流电流。实 际上，一般应选用实际使用的平均电流如，c = ( 1 2 ! 3 ) 五瑚。 沈m t 韭大学硕_ l 学位论文 2 ) 集电极的反向电流一尼当i g b t 内部集成有续流二极管时，额定测试温度 下，所允许的集电极最大直流电流。 3 ) 集电极脉冲峰值电流昆p 在一定脉冲宽度工作时，i g b t 的集电极允许的最大 脉冲峰值电流。 4 ) 集射极短路时的栅极漏电流1 6 e s 在集一射极短路条件下，在栅谢极加额定电 压时的栅极漏电流。 5 ) 栅谤十极短路时的集埘极漏电流c e s 将栅境f 极短路，在集埘极间加额定电压 时的集电极漏电流。 ( 3 ) 最大功耗p r 在壳温为2 5 的条件下，i g b t 开关所允许的最大不导致其自 身损坏的功率损耗。 ( 4 ) 时间参数i g b t 的时间参数有开通延迟时间、关断延迟时间、上升时间和下 降时间。 ( 5 ) 最高工作频率矗。对应开通时间和关断时间、额定工作电流且i g b t 结温不 超过允许值所能使用的最高开关频率。 ( 6 ) 结温i g b t 工作时不导致其自身损坏所允许的最高结温。 ( 7 ) 贮存温度g 在无电气负载且不使其性自g 下降的条件下，i g b t 的保存或运输 所允许的温度范围。 2 3i g b t 的擎住效应和安全工作区 2 3 1i g b t 的擎住效应 从i g b t 的结构图中可以看出，由于i g b t 结构中寄生着n p n 四层结构，相当 于一个晶闸管，它由p n p 和n p n 两个晶体管组成。在n p n 晶体管的基极和发射极 之间存在体区短路电阻，当集电极电流超过其额定值时，由于电阻的压降过大会导 致栅极失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流过大，造成器件功耗过高而 损坏，这种现象被称为擎住效应或锁定现象。i g b t 的擎住效应又分为静态擎住效 应、动态擎住效应和栅分擎住效应。静态擎住效应是i g b t 在稳态电流导通时出现 的锁定现象，此时集电极电压很低，而稳态电流密度超过了某一数值。动态擎住效 应发生在开关过程中，在大电流、商电压情况下，主要是因为过大的集电极电流以 沈阳工业天学硕十学位论文 及过大的d e 胁引起的位移电流造成的。栅分擎住效应是由于绝缘栅的电容效应， 造成在开关过程中个别先开通或后关断的i g b t 之中的电流密度过大而形成的局部 锁定现象。 为了避免i g b t 发生擎住现象，设计电路时应保证i g b t 的集电极电流不要超 过其最大值，或者用加大栅极电阻的办法延长i g b t 的关断时间，以减小d e 出。 另外，器件制造厂家也应当在i g b t 的生产工艺和结构上采取措施以提高i g b t 的 锁定电流，尽量避免产生擎住效应。 2 3 2i g b t 的安全工作区 开通和关断时，i g b t 均具有较宽的安全工作区。i g b t 开通时为正向偏置，其 安全工作区称为正向偏置安全工作区( f b s o a ) 。根据最大集电极电流、最大集射 极电压和最大集电极功耗可以确定i g b t 在导通工作状态下的f b s o a 。f b s o a 与 i g b t 的导通时间密切相关，导通时间很短时，f b s o a 为矩形方块，随着导通时间 的增加，安全工作区将逐渐减小。这是因为导通时间越长，i g b t 发热越严重，而使 其安全工作区变小。i g b t 关断时为反向偏置，其安全工作区称为反向偏置安全工作 区( r b s o a ) 。根据最大集电极电流、最大集射极电压和最大允许电压上升率 d v c e d t 可以确定i g b t 在阻断工作状态下的r b s o a 。它随i g b t 关断时的d v c f d t 而改变，d v c d d f 越大，r b s o a 越小，过高的d v c d d t 就会使i g b t 产生动态擎住效 应，因此在实际应用中，应尽量使i g b t 工作在安全工作区以内【2 2 1 。 2 4 i g b t 的驱动 2 4 。l1 g b t 的摄极驱动 i g b t 是压控器件，其栅极驱动条件密切地关系到它的静态和动态特性。对于大 功率i g b t ，其驱动电路的设计和选择应基于以下参数要求：器件关断偏置、栅极电 荷和电源情况等。栅极电路的正偏电压v g e 、负偏电压一v o e 和栅极电阻风；的大 小t 对i g b t 的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及d v d t 等参数有 不同程度的影响。栅极驱动条件与器件特性的关系如表2 1 所示。 沈阳工业大学硕上学位论文 表2 1i g b t 栅极驱动条件与器件特性的关系 特性、最。孙珞负载短路能力 电流d v c r d d t + 增大 降低降低降低增加 一增大 略减小减少 恐增大 增加增加减少 栅极正电压的变化对1 g b t 的开通特性、负载短路能力和d v c d d t 电流有较大 影响，而栅极负偏压则对i g b t 的关断特性影响比较大。另外，在栅极电路的设计中， 还要注意开通特性、负载短路能力和d v c d d t 引起的误触发等问题。 2 4 2i g b t 栅极驱动电路的要求 由于i g b t 的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化，因而驱动电 路性能的好坏将赢接影响i g b t 能否正常工作。为使i g b t 能可靠工作，i g b t 对其驱 动电路提出了以下要求t 2 3 - 2 5 1 ： ( 1 ) 驱动电压脉冲的上升率和下降率要充分大。i g b t 开通时，前沿陡峭的栅极电 压加到栅极g 与发射极e 之间，使其快速开通，达到开通时间最短，以减小开通损 耗。i g b t 关断时，其栅极驱动电路要提供给i g b t 下降沿陡峭的关断电压，以使i g b t 快速关断，缩短关断时间，减小关断损耗。 ( 2 ) 1 g b t 导通后，栅极驱动电路提供给i g b t 的驱动电压和电流要有足够的幅 度，使i g b t 的功率输出级总处于饱和状态。瞬时过载时，栅极驱动电路提供的驱动功 率要足以保证i g b t 不退出饱和区。 ( 3 ) 驱动器的内阻也不能过小，以免驱动回路的杂散电感与栅极电容形成欠阻尼振 荡。同时过短的开关时间也会造成主回路过高的电流尖峰，这既对主回路安全不利，也 容易在控制电路中造成干扰。 ( 4 ) i o b t 的栅极驱动电路提供给i g b t 的正向驱动电压+ e 要取值合适，特别是 在具有短路工作过程的设备中使用i g b t 时，其正向驱动电压更应选择所需要的最小 值。开关应用的i g b t 的栅极电压应以1 0 v 1 5 v 为最佳。 沈阳工业大学硕l 学位论文 ( 5 ) i g b t 的关断过程中，掰射极间施加的负偏压有利于i g b t 的快速关断，但也 不寅取的过大