（控制理论与控制工程专业论文）大功率igbt驱动保护电路的研究与应用.pdf

t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f h i g h - - p o w e ri g b t d r i v e ra n dp r o t e c t i o n at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s t u n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z h a n g m i n g s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rf e is h u m i n a n d a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gg u o b a o s c h o o lo f a u t o m a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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i i j i i 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过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：为臣翻 日期： 竺应：，埠 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名： 丕炀i 导 摘要 论文题目： 硕士研究生姓名： 导师姓名： 学校名称： 摘要 大功率i g b t 驱动保护电路的研究与应用 张明 费树岷，章国宝 东南大学 i g b t 是m o s f e t 和g t r 的复合器件，它具有开关速度快、热稳定性好、驱动功率 小和驱动电路简单的特点，又具有通态压降小、耐压高和承受电流大等优点。i g b t 作 为主流的功率输出器件，特别是在大功率的场合，已经被广泛的应用于各个领域。 本文在介绍了i g b t 结构、工作特性的基础上，针对风电变流器实验平台和岸电电 源的实际应用，选择了各自的i g b t 模块。然后对i g b t 的驱动电路进行了深入地研究， 详细地说明了i g b t 对栅极驱动的一些特殊要求及应该满足的条件。接着对三种典型的 驱动模块进行了分析，同时分别针对风电变流器实验平台和岸电电源，设计了三菱的 m 5 7 9 6 2 a l 和c o n c e p t 的2 s d 3 1 5 a 驱动模块的外围驱动电路。 对于大功率的设备，电路中经常会遇到过流、过压、过温的问题，因此必要的保护 措施是必不可少的。针对上述问题，本文分析了出现各种状况的原因，并给出了各自的 解决方案：采用分散式和集中式过流保护相结合的方法实现过电流保护；采用缓存吸收 电路及采样检测电路以防止过电压的出现；通过选择正确的散热器及利用铂电阻的特性 来实施检测温度，从而使电路能够更好地可靠运行。 同时，为了满足今后1 5 m w 风电变流器和试验电源等更大功率设备的需求，在性 价比上更倾向于采用i g b t 模块串、并联的方式来取代高耐压、大电流的单管i g b t 。 本文就同一桥臂的i g b t 串联不均压，并联不均流的问题进行了阐述，并给出了相应的 解决方案。最后针对上述的不平衡情形，采用p s p i c e 对其进行仿真模拟，并通过加入均 压、均流电路后的仿真结果，有效地说明了电路的可行性。 关键词：i g b t ，m 5 7 9 6 2 a l ，2 s d 3 1 5 a ，驱动，保护，串并联 a b s t r a e t a b s t r a c t t i t l e ：t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f h i g h p o w e ri g b td r i v e ra n dp r o t e c t i o n m a s t e rc a n d i d a t e ：z h a n gm i n g s u p e r v i s o r ： f e is h u - m i n ，z h a n gg u o b a o o r i g a n i z a t i o n ： s o u t h e a s tu n i v e r s i t y i g b ti st h ec o m p o u n do fm o s f e ta n dt h eg t r , s oi tn o to n l yh a sas p e e d i n gs w i t c h , t h e r m a l s t a b i l i t y , s m a l ld r i v ep o w e ra n ds i m p l ei nd r i v ec i r c u i t , b u ta l s oh a ss m a l l s t a t ev o l t a g ed r o p ，h i g hv o l t a g e w i t h s t a n d i n ga n dh i g hc u r r e n tb e a r i n ga n ds oo n a st h em a i n s t r e a mp o w e ro ft h eo u t p u td e v i c e ，i g b th a s b e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s t h ep a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ni g b t b a s e do nt h ep l a t f o n l lo f w i n dp o w e rc o n v e r t e ra n dt h es h o r ep o w e rs o u r c e ，w ec h o o s et h er i g h ti g b tf o rt h e m t h e ni tg i v e sd e e p r e s e a r c ho nd r i v ec i r c u i t w i t ht h e s ep r i n c i p l e s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h r e ek i n d so ft y p i c a ld r i v em o d u l e s ， a n dd e s i g n st h ed r i v ec i r c u i to fm 5 7 9 6 2 a la n d2 s d 315 af o rt h ep l a t f o r mo fw i n dp o w e rc o n v e r t e ra n dt h e s h o r ep o w e rs o u r c es e p a r a t e l y f o rt h eh i g h - p o w e re q u i p m e n t , p r o t e c t i v em e a s u r e sa r ea l s oe s s e n t i a l b e c a u s et h ep r o d u c t so f t e n h a v et h ep r o b l e m so fo v e r - c u r r e n t , o v e r - v o l t a g ea n do v e r - t e m p e r a t u r eo nv a r i o u sc o n d i t i o n s ，t h ep a p e r a n a l y z e st h er e a s o n so ft h ep r o b l e m s ，a n dt h e ng i v e st h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st h a te n a b l et h ec i r c u i t m o r er e l i a b l e w eu s ed e c e n t r a l i z e da n dc e n t r a l i z e dm e t h o df o ro v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n ；u s ec a c h es n u b b e r c i r c u i ta n ds a m p l ed e t e c t i o nc i r c u i tt op r e v e n tt h ee m e r g e n c eo fo v e r - v o l t a g e ；u s ep l a t i n u mr e s i s t a n c ea n d t h ep r o p e rh e a ts i n ki no r d e rt od e t e c tt h et e m p e r a t u r e ， m e a n w h i l e ，i no r d e rt od e s i g nl a r g ep o w e rd e v i c e ，s u c ha st h ew i n dp o w e rc o n v e r t e ro f1 5 m w ：t h e t e s te q u i p m e n ta n ds oo n , s e r i e sa n dp a r a l l e la r eu s e df o rt h e i rl o wc o s tc o m p a r e dt ol a r g ep o w e r s i n g l e - t u b ei g b t f o rs e r i e sw em u s tp a ya t t e n t i o nt ot h eu n e v e nv o l t a g e ，a n dt h eu n e v e nc u r r e n tw i t h p a r a l l e l t h ep a p e ru s e sp s p i c et os i m u l a t et h ep r o b l e m so fs e r i e sa n dp a r a l l e lo ni g b t , a n da tt h es a m e t i m eg i v e st h ee f f e c t i v e n e s so f t h ec i r c u i tt oi m p r o v et h ep r o b l e m s k e yw o r d s ：i g b t , m 5 7 9 6 2 a l ，2 s d 315 a ，d r i v e ，p r o t e c t i o n , s e r i e sa n dp a r a l l e l n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论。1 1 1 研究背景。l 1 2 国内外驱动保护电路的研究现状1 1 3 本课题的研究内容和章节安排。2 第二章i g b t 的结构及工作特性3 2 1i g b t 的结构和基本原理3 2 2i g b t 的基本特性和主要参数3 2 2 1i g b t 的基本特性3 2 2 2i g b t 的主要参数5 2 3i g b t 的擎住效应和安全工作区6 2 3 1i g b t 的擎住效应6 2 3 2i g b t 的安全工作区6 2 4 续流二极管的工作特性6 2 4 1 静态特性7 2 4 2 开通特性7 2 4 3 关断特性7 2 4 4 主要参数8 2 5 风电变流器实验平台和岸电电源的i g b t 选择8 2 5 1i g b t 额定电压和额定电流的确定8 2 5 2 本课题i g b t 模块的选择8 第三章i g b t 驱动电路的研究与应用1o 3 1i g b t 对驱动电路的要求1 0 3 1 1i g b t 对栅极驱动电路的特殊要求1 0 3 1 2i g b t 栅极驱动应满足的条件1 0 3 2 几种典型i g b t 驱动电路的研究。1 4 3 2 1e x b 8 4 1 驱动模块1 4 3 2 2m 5 7 9 6 2 a l 驱动模块1 5 3 2 32 s d 3l5 a 驱动模块l7 3 3 驱动电路的抗干扰设计l8 3 3 1 驱动信号1 8 3 3 2 电源信号1 9 3 3 3 电路布局。l9 3 4 风电变流器实验平台和岸电电源的驱动设计1 9 3 4 1 风电变流器实验平台的驱动设计2 0 3 4 2 岸电电源的驱动设计2 2 第四章i g b t 保护电路的研究与应用一2 5 4 1i g b t 对保护电路的要求2 5 4 2 故障保护的分析2 5 4 2 1 过电流因素2 5 4 2 2 过电压因素2 5 4 2 3 过热因素2 7 4 3 本课题保护电路的实现2 7 i i i 目录 4 3 1 过流保护的实现。2 7 4 3 2 过电压保护的实现。3 0 4 3 3 过热保护的实现。3 5 第五章i g b t 串并联特性的研究4 1 5 1 串联i g b t 模块的研究。4 l 5 1 1 影响串联均压的因素4 1 5 1 2 串联均压的基本方法。4 3 5 1 3 串联仿真分析4 7 5 2 并联i g b t 模块的研究5 1 5 2 1 影响并联均流的因素5 2 5 2 2 并联均流的基本方法5 3 5 2 3 并联仿真分析5 6 第六章测试结果及总结6 0 6 1 测试结果6 0 6 1 1 风电变流器实验平台的驱动测试6 0 6 1 2 岸电电源的驱动测试6 1 6 2 本论文总结6 1 6 3 后续工作及研究展望6 2 致 射6 3 参考文献一6 4 作者在攻读硕士学位期间发表的论文6 6 i v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 作为在国际上已广泛应用的电力电子器件前期产品g t r 、m o s f e t 正向着产品多 样化，结构模块化、复合化，特性参数高电压、大电流等特点发展，适用于大容量设备， 但由于其电流增益太低，所需驱动的功率也较大，且驱动复杂，在应用中受到一定的局 限。对于g t r 器件虽已模块化，在中小容量装置中得到推广，但其驱动功率也较大， 开关速度慢，影响了逆变器的工作频率与输出波形；m o s f e t 器件开关速度快，驱动功 率小，但器件功率等级低，导通压降大，限制了逆变器的容量。 随着半导体技术的发展，出现了各种新型的功率电子元件。绝缘栅双极型晶体管 i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 便是在g t r 和m o s f e t 之间取长避短而出现的新 器件。它实际上是用m o s f e t 驱动双极型晶体管，兼有m o s f e t 的高输入阻抗和g t r 的低导通压降两方面的优点，使得i g b t 成为大中功率开关电源、逆变器、高频感应加 热有源滤波器、家用电器等需要电流变换场合的理想功率器件。特别是近几年来，变频 驱动、有源电力滤波器、轻型直流输电、u p s 电源、电焊机、医疗仪器等电力电子应用 技术的风起云涌，i g b t 作为主流的功率输出器件，应用同趋广泛。从2 0 世纪9 0 年代 起，i g b t 国际市场年增长率均为3 5 以上，近年来其增长趋势有增无减。在要求快速 低损耗的电力电子应用范围内，在中、低频功率控制应用中，i g b t 最具独特性能。i g b t 有逐步取代m o s f e t 和g t o 之趋势，它正成为当今电力电子行业首选的功率开关器件 之一。表1 1 列举出了i g b t 、m o s f e t 与g t r 的主要参数比较【2 1 。 表1 1i g b t 、m o s f e t 与g t r 的主要参数比较 比较项目g t rm o s f e ti g b t 驱动模式电流电压 电压 驱动电路复杂简单简单 驱动功率大小小 输入阻抗 低 高高 开关速度慢( u s )快( n s )中 工作频率较低高 中 安全区域 窄 宽宽 饱和压降低高低 经过多年的努力，i g b t 的制造技术也在不断改进。目前，i g b t 已经突破了高频( 工 作频率大于2 0 k h z ) 的应用领域，其工作频率最高可达到2 0 0 k h z 。目前生产的i g b t 最 大正向阻断能力已经达到6 5 k v ，电流最大达到3 6 k a ，形成了系列化产品，产品覆盖 面非常大，当前众多的电力电子电路都可以用i g b t 实现。因此要完成一个成熟的产品， 能够很好的设计出一套完善、有效的i g b t 驱动保护电路，对于整个系统的安全正常工 作来说是非常重要的。 1 2 国内外驱动保护电路的研究现状 众所周知，电力电子技术和应用装置的发展水平很大程度上依赖于电力电子器件的 发展水平，而电力电子器件的实用性能还会依赖于电路条件和开关环境。i g b t 也不例 外，驱动保护电路的设计是i g b t 应用中一个非常重要的环节，也是应用设计的难点和 东南大学硕士学位论文 关键。它的可靠工作是整个装置正常运行的基本条件。在主电路拓扑设计和功率开关器 件选取合理的前提下，如何可靠地驱动和保护主开关器件显得十分关键。功率开关器件 的驱动电路是主电路与控制电路之问的接口，是电力电子装置的重要部分，对整个设备 的性能有很大的影响，其作用是将控制回路输出的p w m 脉冲放大到足以驱动功率开关 器件。简而言之，驱动电路的基本任务就是将控制电路传来的信号，转换为加在器件控 制端和公共端之间的可以使其导通和关断的信号。同样的器件，采用不同的驱动电路将 得到不同的开关特性。采用性能良好的驱动电路可以使功率开关器件工作在比较理想的 开关状态，同时缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都 有重要的意义。因此驱动电路的优劣直接影响主电路的性能，其合理化设计显得越来越 重要。 另外，对主开关器件或整个装置的一些保护措施往往也设计在驱动电路中，这是由 于主电路中往往有电压或电流的过冲，而电力电子器件一般比普通的元器件要昂贵，但 承受过电压和过电流的能力却要弱一些。因此，在主电路和驱动电路中往往需要附加一 些保护电路，尤其对于中大功率的半导体器件更是必不可少的，它对可能出现的过电流、 过电压等情况进行处理，以保护昂贵的主开关器件。这些就使得驱动电路的设计显得更 为重要。 目前，i g b t 应用领域的驱动方案很多，得到国内外设计者和电力电子器件生产公 司的关注，许多公司都设计制造了专用的驱动芯片，如富士、三菱、c o n c e p t 、 s e m i k r o n 、i r 等。虽然各种驱动芯片各有特点，但往往是针对本公司的产品，以维 护各自的知识产权，所以通用性差，在驱动保护功能配置等方面也有不尽完善的地方， 而且许多芯片直接驱动功率小，对于大驱动功率的产品往往价格昂贵，甚至超过对应 i g b t 的价格。在实际应用中也还是遇到不少问题，如许多芯片都是基于i g b t 单管设 计，并没有考虑在实际应用中( 如逆变器) 的i g b t 之间的触发信号及多路驱动电源的 隔离、同一桥臂的死区控制、外部保护接口、电源监视保护等1 2 儿1 6 】。 1 3 本课题的研究内容和章节安排 本课题主要是研究i g b t 驱动和保护电路的原理及其应用，以1 0 k w 的风电变流器 实验平台和2 0 0 k v a 的岸电电源为目标设计了各自的外围驱动保护电路，同时对i g b t 的串并联特性也进行了研究。 第二章主要介绍了i g b t 的结构和工作特性，为以后章节内容的研究做必要的知识 补充，同时分别为两个平台的i g b t 进行了选择。 第三章详细介绍了i g b t 驱动电路的要求，在此基础上针对风电变流器实验平台和 岸电电源设计了m 5 7 9 6 2 a l 和2 s d 3 1 5 a 外围驱动电路。 第四章针对实际产品中经常出现的过流、过压、过热问题进行了研究，在驱动模块 自身带有的保护之外，设计了必要的外围保护，以保证产品的正常运行。 第五章分析了i g b t 串并联特性，主要针对其串联均压、并联均流的不平衡问题， 进行了分析和研究，给出了解决方案，并通过p s p i c e 给出了仿真结果。 第六章对m 5 7 9 6 2 a l 和2 s d 3 1 5 a 外围驱动电路的驱动波形进行了测试，并给出了 对应i g b t 的开关状态。最后对本文进行了总结和展望。 2 第二章i g b t 的结构及工作特性 第二章i g b t 的结构及工作特性 i g b t 综合了m o s f e t 和g t r 的优点，因而具有良好的特性。它既具有开关速度快、 热稳定性好，驱动功率小和驱动电路简单的特点，又具有通态压降小、耐压高和承受电 流大等优点。本章将对i g b t 以及续流二极管的结构和工作特性作深入的分析，只有这 样才能设计出合理的驱动保护电路，进而发挥i g b t 的优势1 1 1 4 0 1 。 2 1i g b t 的结构和基本原理 i g b t 是三端器件，具有栅极g 、集电极c 和发射极e 。它是在功率m o s f e t 的基 础上发展起来的，两者的结构十分类似，不同之处在于i g b t 比m o s f e t 多一个p + 层， 即多一个p n 结，并由此引出集电极，这个p n 结的引入，使得i g b t 导通时由p + 注入 区向n 基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使i g b t 具有很强的通流能力， 提高了i g b t 的耐压水平，并可以通过传导率调制，减小通态损耗，但开关频率受到了 一定的限制；栅极和发射极的结构与m o s f e t 类似。图2 1 ( a ) 给出了i g b t 的剖面结构 图，由图可见，i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区p n p 晶体管。其等效电路 如图2 1 ( b ) 所示，图中的电阻r n 基区内的调制电阻，由结构图可知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，图中器件为n 沟道的i g b t ，m o s f e t 为n 沟道型，g t r 为p n p 型。图2 1 ( c ) 是n 沟道型i g b t 的通用电气符号，对于p 沟 道i g b t ，图形中的箭头方向恰好相反1 l j l 3 】。 发射极栅极 a ) g e b )c ) 图2 - ii g b t 的剖面结构( a ) 、等效电路( b ) 及电气符号( c ) 作为电压驱动型的器件，i g b t 的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正 电压并且大于开启电压v g er t h ) 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，由于电导的调制效应，使得电阻i k 减小，这样高耐压的i g b t 也具有很小的通态压降。在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 关断。 2 2i g b t 的基本特性和主要参数 2 2 1i g b t 的基本特性 1 、静态特性 c j 1 - g c 毛 东南大学硕士学位论文 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 2 所示，( a ) 为转移特性， ( b ) 为输出特性。 毛o 7 有源区 厂。 薯 厂 瑟 丰。 厂 ll b r 冒 反向阻断区 钐锄黝 f p 】 砂 b ) 图2 2i g b t 的转移特性( a ) 和输出特性( b ) i g b t 的转移特性是指集电极电流i c 与栅极控制电压u g e 之间的关系曲线。开启电 压u o e 是i g b t 能实现电导调制而导通的最低栅射电压。当栅射电压u o e 小于开启 电压u o ef t h ) 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，i c 与u g e 基本呈线性关系。最高栅射电压受最大集电极电流的限制，其最佳值一般取为 1 5 v 左右。同时u g e 随温度升高而略有下降，温度每升高l 度，其值下降5 m v 左右1 5 j 。 输出特性也称伏安特性，是指以栅射电压u g e 为参变量时，集电极电流和集射电 压之间的关系曲线。输出集电极电流i c 受栅射电压u g e 的控制，u g e 越高，i c 越大。 因此，在集电极过流或过流保护时，及时地降低u g e 能够抑制集电极电流，有利于保护 i g b t 。其输出特性可以分为三个区域：正向阻断区、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。特别 注意，i g b t 栅射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 以击穿损坏i g b t ，因此在运输、使用时候一定要特别注斛引。 2 、动态特性 i g b t 的开通过程与电力m o s f e t 的开通过程很相似，这是因为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。如图2 3 所示，从驱动电压u g e 的前沿上升 至其幅值的1 0 的时刻，到集电极电流i c 上升至其幅值的1 0 的时刻止，这段时间为 开通延迟t d ( o n ) 。而i c 从1 0 i c m 上升至9 0 i c m 所需的时间为电流上升时间t r 。同样， 开通时间t o f l 为开通延迟时间与电流上升时间之和。同时，开通时，集射电压u c e 的下 降过程分为t l 和t r y 2 两段。前者为i g b t 中m o s f e t 单独工作的电压下降；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过程。由于u c e 下降时i g b t 中m o s f e t 的栅漏电容增加，而且i g b t 中的p n p 晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程， 因此2 段电压下降变缓。只有在t 舵段结束时，i g b t 才完全进入饱和状态。i g b t 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u g e 的脉冲后沿下降到其幅值的9 0 的时刻起，到集电 极电流下降至9 0 i c m 止，这段时间为关断延迟时间t d t o f f ) ；集电极电流从9 0 i c m 下降 至1 0 i c m 这段时间为电流下降时间，二者之和为关断时间。电流下降时间可分为t f i l 和t f i 2 两段。其中t f i l 对应i g b t 内部的m o s f e t 的关断过程，此时间段内i c 下降较快； t f i 2 对应i g b t 内部的p n p 晶体管的关断过程，此时间段内m o s f e t 已经关断，i g b t 又无反向电压，所以n 基区内的少子复合缓慢，造成i c 下降较慢l l 儿引。 4 第二章i g b t 的结构及工作特性 2 2 2i g b t 的主要参数 图2 - 3i g b t 的开关过程 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【1 1 【5 嗣。 l 、电压参数 极间阻断电压u c w ：栅射极短路时，允许的集射直流电压最大值； 集射极电压u c e o ：栅极开路时，允许的集射直流电压最大值； 集射极饱和电压u c e ( s a t ) ：i g b t 饱和导通时通过额定电流时的集射电压； 栅射极最高电压u g e s ：集一射极短路时，允许的栅射极电压最大值； 栅极开启电压u g e ( 曲：在规定的集电极电流和集射电压条件下的栅射级电压， 通常指能使i g b t 导通的最小电压； 绝缘电压u i s o - * 指外壳与管芯绝缘的i g b t 模块，三个极完全短路的情况下，三 个电极与冷却体接触面间能容许的正弦波最高绝缘电压，一般指交流有效值； 集射极反向电压u e c s ：集成有续流二极管的i g b t ，在二极管处于导通状态时， 在极间测得的二极管正向压降。 2 、电流参数 集电极额定电流i c n ：在额定测试温度下，所允许的集电极直流电流的最大值。 实际上，一般应选用实际使用的平均电流i c = ( 1 2 1 3 ) i c n ： 集电极的反向电流i c ：当i g b t 内部集成有续流二极管时，额定测试温度下， 所允许的集电极直流电流最大值； 集电极脉冲峰值电流i c 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； 集射极短路时的栅极漏电流i o e s ：在集射短路条件下，栅射极间加额定电压 时的栅极漏电流； 栅射短路时的集电极漏电流i c e s ：在栅射短路条件下，集射极间加额定电压 时的集电极漏电流。 3 、最大功耗p t 在壳温为2 5 c 的条件下，每个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 的时间参数有导通时间、关断时间、上升时间和下降时间。 5 、最高工作频率f m 孤 奎堕奎兰堡主兰垡笙茎 i g b t 的最高工作频率是指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 指i g b t 工作时不导致损坏所允许的最高结温。 7 、贮存温度t 是指在无电气负载条件下，不使其性能下降对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 1 i g b t 的擎住效应 在i g b t 的内部寄生着一个晶闸管，在晶闸管内的n p n 晶体管的基极和发射极之间 存在短路电阻，当超过额定集电极电流时，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 擎住效应或自锁效应。 静态擎住效应：集电极通态电流连续值超过规定值而产生的擎住效应。 动态擎住效应：在故障i g b t 关断的过程中，由于电流下降太快，集射电压v c e 突 然上升，d v c e d t 很大，如果没有很好的缓冲吸收电路，就会在i g b t 内部产生较大的位 移电流。造成寄生晶体管饱和导通，形成动态擎住效应，使i g b t 失效。 引发擎住效应的原因可能是集电极电流过大( 静态擎住效应) ，也可能是d v c e d t 过 大( 动态擎住效应) ，温度升高也会加重产生擎住效应的危险。动态擎住效应比静态擎 住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态擎 住效应而确定的【j j l o j 。 2 3 2i g b t 的安全工作区 根据最大集电极电流( 由避免动态擎住效应而确定的) 、最大集射极间电压( 由i g b t 中p n p 晶体管的击穿电压所确定) 和最大集电极功耗( 由最高允许结温所决定) 可以 确定i g b t 在导通工作状态的参数极限范围，即正向偏置安全工作区( f b s o a ) ，导通 时间长、发热严重则安全工作区变窄。 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率d v c e d r 可以确定 i g b t 在阻断工作状态下的参数极限范围，即反向偏置安全工作区( r b s o a ) 。它随i g b t 关断时的d v c e d t 而改变，过高的d v c z d t 使i g b t 产生动态擎住效应，因此d v c e d t 越 大，r b s o a 越小。在使用i g b t 时，尽量使其工作在安全工作区以内【l j 【8 】。 2 4 续流二极管的工作特性 在逆变器类的应用中，续流二极管是不可缺少的器件之一，它为功率电路的电感元 件提供释放能量的通路，通常与i g b t 反向并联。许多i g b t 模块中都己集成有续流二 极管。对于续流二极管，除了正向导通电流外，更关心的是其反向恢复特性。因为反向 恢复特性的好坏直接关系到逆变桥上下桥臂i g b t 换流时的动态特性【2 】【9 1 。 6 第二章i g b t 的结构及工作特性 2 4 1 静态特性 图2 - 4 给出了续流二极管的典型输出特性，i f 为正向电流，v f 称为j 下向导通压降， 它表示在给定电流下，导通的电压降不应超过的临界值。v r 成为二极管的反向阻断电 压，在该电压下时的漏电流不能大于临界值i r 。需要注意的是，v r 和v f 的数值都是在 室温下测得的，它们会随着温度的变化而变化，如温度降低时，反向阻断能力下降；当 温度高于室温时，反向阻断电压相应上升，但漏电流也同时上升。 ，、 f i f _ - _ - _ _ _ _ - - _ j 一 v r八 n v r、 y k v v f l t m v f 0 1 v f o 图2 4 续流二极管的典型输出特性 图2 5 续流二极管的正向开通过程 2 4 2 开通特性 续流二极管进入导通的过程中，电压首先升高到v f r m ( 可重复的正向峰值电压) ， 然后再降低到正向通态压降的水平，图2 - 5 中显示出了目前通用的v f r m 和开通时间t 疳 的定义。在缓冲电路中，由于只有在缓冲二极管导通之后缓冲电路才能发挥作用，所以 较低的v 删和较短的t 疔是缓冲二极管的重要指标。i g b t 关断时，线路上的感应电感会 感应出一个电压尖峰，这个电压尖峰叠加于续流二极管的v 刚之上，二者之和可能会 导致过电压。 2 4 3 关断特性 在二极管有导通进入截止状态的过程中，它的内部所存储的能量必须被释放，即在 二极管能承受反向电压之前，需要有一个反向的恢复过程。这个过程会使二极管的电流 反方向流动，这一反向电流的波形可以用反向恢复特性来描述。根据恢复过程中电流到 达最大值i r 州后的衰减轨迹( 该轨迹完全由二极管特性决定) ，可以将二极管分为两类： 衰减过程很缓的，称为软性恢复特性( 如图2 - 6 所示) ；衰减过程很陡的，称为刚性恢 复特性( 如图2 7 所示) 。 v | l 西重 。 0 厂 t 触 i “ v 0 w | l n o 图2 - 6 二极管的反向恢复软特性 图2 7 二极管的反向恢复硬特性 由图2 - 6 可见，二极管的反向恢复过程可以进一步细分为两个部分： 7 查塑l 犬堂堡主堂垡笙奎 ( 1 ) 电流上升到反向恢复峰值i v , v , m 以及其后按照d l r d t 速率下降的部分。对于软恢复 特性的二极管来讲，d l r d t 和d i d t 的值大致相等，对开关元件冲击最大的是反向电流的 峰值i m a m 。 ( 2 ) 拖尾电流部分，这是反向恢复电流缓慢衰减到零的过程。在这个过程中，二极管 已具有电压，所以二极管内的主要损耗产生于拖尾过程中。在实际的应用中，二极管的 损耗比i g b t 开关损耗小得多，因此为了使i g b t 和二极管的总损耗保持较小，要尽量 减小反向恢复电流的峰值i v , g m 。 对于硬特性的二极管，由于其反向恢复时的d i d t 很大，会在i g b t 关断时感应出过 电压，因而在实际中很少采用。 2 4 4 主要参数 正向电流i f ：最大正向直流电流值； 正向峰值电流i v v , m ：重复l m s 宽脉冲条件下，允许的电流最大值： 正向压降v f - 额定温度电流下的正向导通压降值； 反向恢复电流峰值i r m ：额定温度电流条件下，反向恢复电流峰值； 结壳间热阻眦：二极管结到外壳之间的最大热阻； 壳- 散热器间热阻r t h c h 二极管外壳到散热器之间的最大接触热阻； 反向耐压值v v , w m 允许的最大反向重复电压值。 2 5 风电变流器实验平台和岸电电源的i g b t 选择 2 5 1i g b t 额定电压和额定电流的确定 在实际应用中，选择i g b t 时，主要考虑其电压额定值和电流额定值的大小。另外还 要注意i g b t 的c 、e 两端所能承受的电压变化率d v d t ，该值不能过大。 1 、i g b t 额定电压的选择 考虑电网电压瞬态尖峰、电压波动、开关电流引起电压尖峰，以及外界的干扰，特别 是雷电干扰等，因此，必须合理选择安全系数倥，一般a 在1 2 - - 2 之间。本课题中选取 的a 值为2 。如果稳态时加在i g b t 之间的电压最高为v ，则可选择耐压值v 伍。2 v m 。 2 、i g b t 额定电流的选择 选择时要根据实际电路中最大电流、负载的类型、允许过载的程度等因素决定。设 计时要留有一定的裕量，合理选择安全系数卢。在实际电路中最大输出电流i 。可由p - i ( 4 3x u l ) 得到，可取卢= 2 ，此时i g b t 耐流值i 旺2 i 。还有注意在任何情况下，通过 集电极的最大电流必须处在安全工作区的规定范围内。 2 5 2 本课题i g b t 模块的选择 1 、风电变流器实验平台i g b t 的选择 对于风电变流器实验平台而言，其最高直流输入电压约为v m = 2xu l 5 4 0 v ，根据 上述分析，选择i g b t 的额定电压值v e e r 2 v 。= 1 0 8 0 v ，实际应用中，我们选取额定电压值 为1 2 0 0 v 的i g b t 模块。同时，其最大输出电流为i 。= p m ( 3 u 1 ) 1