电力电子器件应用的共性问题.ppt

第9章电力电子器件应用的共性问题9 1电力电子器件的驱动9 2电力电子器件的保护9 3电力电子器件的串联使用和并联使用 2 75 9 1电力电子器件的驱动 9 1 1电力电子器件驱动电路概述9 1 2典型全控型器件的驱动电路9 1 3IGBT器件的驱动电路 3 75 9 1 1电力电子器件驱动电路概述 驱动电路 是电力电子主电路与控制电路之间的接口 良好的驱动电路使电力电子器件工作在较理想的开关状态 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 一些保护措施也往往设在驱动电路中 或通过驱动电路实现 驱动电路的基本任务 按控制目标的要求给器件施加开通或关断的信号 对半控型器件只需提供开通控制信号 对全控型器件则既要提供开通控制信号 又要提供关断控制信号 4 75 9 1 1电力电子器件驱动电路概述 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节 一般采用光隔离或磁隔离 光隔离一般采用光耦合器 光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成 封装在一个外壳内 有普通 高速和高传输比三种类型 磁隔离的元件通常是脉冲变压器 当脉冲较宽时 为避免铁心饱和 常采用高频调制和解调的方法 图9 1光耦合器的类型及接法a 普通型b 高速型c 高传输比型 5 75 9 1 1电力电子器件驱动电路概述 驱动电路的分类 按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质 可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类 晶闸管的驱动电路常称为触发电路 驱动电路具体形式可为分立元件的 但目前的趋势是采用专用集成驱动电路 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路 为达到参数最佳配合 首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路 6 75 9 1 2典型全控型器件的驱动电路 图9 4推荐的GTO门极电压电流波形 电流驱动型器件的驱动电路 GTO和GTR是电流驱动型器件 GTO 开通控制与普通晶闸管相似 但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高 且一般需在整个导通期间施加正门极电流 使GTO关断需施加负门极电流 对其幅值和陡度的要求更高 GTO一般用于大容量电路的场合 其驱动电路通常包括开通驱动电路 关断驱动电路和门极反偏电路三部分 可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型 幅值需达阳极电流的1 3左右 陡度需达50A s 强负脉冲宽度约30 s 负脉冲总宽约100 s 施加约5V的负偏压 以提高抗干扰能力 7 75 9 1 2典型全控型器件的驱动电路 图9 5典型的直接耦合式GTO驱动电路 直接耦合式驱动电路 可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡 可得到较陡的脉冲前沿 缺点是功耗大 效率较低 电路的电源由高频电源经二极管整流后提供 VD1和C1提供 5V电压 VD2 VD3 C2 C3构成倍压整流电路提供 15V电压 VD4和C4提供 15V电压 V1开通时 输出正强脉冲 V2开通时 输出正脉冲平顶部分 V2关断而V3开通时输出负脉冲 V3关断后R3和R4提供门极负偏压 8 75 9 1 2典型全控型器件的驱动电路 GTR 开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态 使之不进入放大区和深饱和区 关断时 施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值 6V左右 的负偏压 GTR的一种驱动电路 包括电气隔离和晶体管放大电路两部分 VD2和VD3构成贝克箝位电路 是一种抗饱和电路 可使GTR导通时处于临界饱和状态 C2为加速开通过程的电容 开通时R5被C2短路 这样可以实现驱动电流的过冲 并增加前沿的陡度 加快开通 驱动GTR的集成驱动电路中 THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见 图9 6理想的GTR基极驱动电流波形 图9 7GTR的一种驱动电路 9 75 9 1 2典型全控型器件的驱动电路 图9 8电力MOSFET的一种驱动电路 电压驱动型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件 为快速建立驱动电压 要求驱动电路具有较小的输出电阻 使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10 15V 使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压 一般取 5 15V 有利于减小关断时间和关断损耗 在栅极串入一只低值电阻 数十欧左右 可以减小寄生振荡 该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小 电力MOSFET 包括电气隔离和晶体管放大电路两部分 当无输入信号时高速放大器A输出负电平 V3导通输出负驱动电压 当有输入信号时A输出正电平 V2导通输出正驱动电压 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L 其输入信号电流幅值为16mA 输出最大脉冲电流为 2A和 3A 输出驱动电压 15V和 10V 10 75 一 驱动条件 门极驱动电路的正偏压VGS 负偏压 VGS 门极电阻RG的大小 决定IGBT的静态和动态特性 如 通态电压 开关时间 开关损耗 短路能力 电流di dt及dv dt 9 1 3IGBT器件的驱动电路 11 75 1 正偏电压VGS的影响 VGS增加时 通态压降下降 开通时间缩短 开通损耗减小 但VGS增加到一定程度后 对IGBT的短路能力及电流di dt不利 一般VGS不超过15V 12V 15V 12 75 2 负偏压 VGS的影响 门极负偏压可以减小漏极浪涌电流 避免发生锁定效应 但对关断特性影响不大 如图 13 75 3 门极电阻RG的影响 当门极电阻RG增加时 IGBT的开通与关断时间增加 进而使每脉冲的开通能耗和关断能损也增加 但RG减小时 IGBT的电流上升率di dt增大 会引起IGBT的误导通 同时RG电阻的损耗也增加 一般 在开关损耗不太大的情况下 选较大的电阻RG 14 75 4 IGBT驱动电路设计要求 1 由于是容性输入阻抗 因此IGBT对门极电荷集聚很敏感 驱动电路必须很可靠 要保证有一条低阻抗值的放电回路 2 用低内阻的驱动源对门极电容充放电 以保证门极控制电压VGS有足够陡峭的前后沿 使IGBT的开关损耗尽量小 另外IGBT开通后 门极驱动源应提供足够的功率使IGBT不致退出饱和而损坏 3 门极电路中的正偏压应为 12 15V 负偏压应为 2 10V 4 IGBT多用于高压场合 故驱动电路应与整个控制电路在电位上严格隔离 5 门极驱动电路应尽可能简单实用 具有对IGBT的自保护功能 并有较强的抗于扰能力 6 若为大电感负载 IGBT的关断时间不宜过短 以限制di dt所形成的尖峰电压 保证IGBT的安全 15 75 二 驱动电路 在满足上述驱动条件下来设计门极驱动电路 IGBT的输入特性与MOSFET几乎相同 因此与MOSFET的驱动电路几乎一样 注意 1 IGBT驱动电路采用正负电压双电源工作方式 2 信号电路和驱动电路隔离时 采用抗噪声能力强 信号传输时间短的快速光耦 3 门极和发射极引线尽量短 采用双绞线 4 为抑制输入信号振荡 在门源间并联阻尼网络 16 75 17 75 18 75 三 常用PWM控制芯片 TL494 SG3524 SG1525 MC3520 MC34060 VC1840 SL 64等 四 IGBT专用驱动模块 大多数IGBT生产厂家为了解决IGBT的可靠性问题 都生产与其相配套的混合集成驱动电路 如三菱公司的M579系列 如M57962L和M57959L 和富士公司的EXB系列 如EXB840 EXB841 EXB850和EXB851 日本东芝的TK系列 美国库托罗拉的MPD系列等 这些专用驱动电路抗干扰能力强 集成化程度高 速度快 保护功能完善 可实现IGBT的最优驱动 富士的EXB841快速驱动电路 19 75 由放大电路 过流保护电路 5V基准电压源电路组成 具有过流缓关断功能 20 75 EXB851应用电路 21 75 驱动信号延时小于1 5us 如果IGBT的集电极产生过大的电压脉冲 增加IGBT门极的串联电阻 缺点 过流保护阀值过高 Vce 7V时动作 此时已远大于饱和压降 存在保护肓区 在实现止常关断时仅能提供一5V偏压 在开关频率较高 负载过大时 关断就显得不可靠 无过流保护自锁功能 在短路保护时其栅压的软关断过程被输入的关断信号所打断 22 75 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 三菱驱动模块M57962L 23 75 与EXB841相比 M57962AL需要双电源 15V 一1OV 供电 外周电路复杂 而正是因为M57962AL可输出一10V的偏压 使得IGBT可靠地关断 另外 M57962AL具有过流保护自动闭锁功能 并且软关断时间可外部调节 而EXB84l的软关断时间无法调节 所以M57962AL较EXB841更安全 可靠 24 75 Hcpl 316j 25 75 欠压锁定保护过流保护功能同EXB841和M57962AL一样无降栅压保护 因此 GH 039驱动模块也是有缺陷的 26 75 IR系列驱动器 IR系列驱动器采用了不隔离的驱动方式 在主电路的功率器件损坏时 高压可能直接串入驱动器件 致使驱动模块及前极电路损坏 27 75 5 UC37系列驱动器 UC37系列驱动器该系列驱动器一般由UC3726和UC3727两片芯片配对使用 其工作频率较高 但在两芯片之间需增加脉冲变压器 给电路的使用和设计带来不便 因此该系列驱动器并未得到推广 28 75 IGBT损坏的原因可以归结为以下3个方面 过热损坏 它又分为由于集电极电流过大引起的瞬时过热损坏和其它原因引起的持续过热损坏 集电极发射极间过压损坏 栅极过压损坏 9 1 4IGBT器件的保护 29 75 IGBT的保护要从以下4个方面着手 集电极发射极间过电压保护 栅极过电压保护 过流保护 过热保护 9 1 4IGBT器件的保护 30 75 一 常用的保护措施 1 通过检出的过电流信号切断门极控制信号 实现过电流保护 2 利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的dv dt 3 利用温度传感器检测IGBT的壳温 当超过允许温度时主电路跳问 实现过热保护 二 过电流保护措施及注意问题 1 IGBT短路时间 9 1 4IGBT器件的保护 31 75 32 75 2 过电流的识别 采用漏极电压的识别方法 通过导通压降判断漏极电流大小 进而切断门极控制信号 注意 识别时间和动作时间应小于IGBT允许的短路过电流时间 几个us 同时判断短路的真与假 常用方法是利用降低门极电压使IGBT承受短路能力增加 保护电路动作时间延长来处理 3 保护时缓关断 由于IGBT过电流时电流幅值很大 加之IGBT关断速度快 如果按正常时的关断速度 就会造成Ldi dt过大形成很高的尖峰电压 造成IGBT的锁定或二次击穿 极易损坏IGBT和设备中的其他元器件 因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采取措施使IGBT进行 慢速关断 33 75 34 75 采用电流互感器和霍尔元件进行过流检测及过流保护 35 75 短路 过流 保护 1 短路模式 单臂短路 接地短路 输出短路 桥臂直通短路 36 75 2 电流检测法保护 37 75 3 Vce sat 检测法保护 38 75 降额应用 39 75 散热考虑功率模块内部热阻分布 1200V Al2O3 IGBT模块内部热阻分布比例 40 75 安装加工 1 预防ESD损伤IGBT的栅氧厚度比功率MOSFET要厚 这使得它对静电不如后者敏感 但是IGBT毕竟是MOS栅器件 应用中须有防静电措施 控制电路中设计栅极泻放电阻和稳压管保护 运输 储存 加工 焊接中注意避免静电损伤 静电电压控制在100V以下 41 75 2 使用平整度好的散热器 42 75 3 均匀涂抹满足厚度要求的导热硅脂 硅脂厚度通常要求 有铜底板模块 100um 无铜底板模块 50um 43 75 4 使用正确的安装力矩和安装程序 设厂家推荐最大安装力矩为Ms 则用户安全使用的实际安装力矩Mc一般应为 0 9 Ms Mc Ms 44 75 按照正确的顺序预紧 最终紧固螺钉 45 75 46 75 IGBT失效分析 1 失效原因 1 设计因素 过电应力 散热不足 容差偏小 47 75 2 加工 测试 装配因素 静电损伤 机械损伤 过压击穿等 3 来料因素 批次问题 个别不良 2 失效分析方法 信息收集芯片解剖电应力测试VGS VDS ID TC来料测试加工跟踪 48 75 业界发展趋势 1 封装技术发展趋势 散热能力和温度循环能力的改善 优化设计 降低内部引线电感 高度灵活的封装于连接技术 简化用户的装配 更高的集成度和复杂度 49 75 2 芯片技术降低通态压降 降低开关损耗 改善耐冲击性 提高高压晶体管的正向截止电压 目前最大潜力在于单元设计的优化 INFINEON芯片发展趋势 50 75 3 新材料以碳化硅 SiC 及GaN为代表的宽禁带材料 是继Si和GaAs之后的第三代半导体 与Si相比 SiC具有宽禁带 Si的2 3倍 Si的禁带宽度为1 12eV 高热导率 Si的3 3倍 高击穿场强 Si的10倍 高饱和电子漂移速率 Si的2 5倍 化学性能稳定 高硬度 抗磨损以及高键合能等优点 所以 SiC特别适合于制造高温 高频 高功率 抗辐射 抗腐蚀的电子器件 51 75 SiC材料器件目前状态及趋势 生长过程缓慢 数um h 且位错 堆垛层错等缺陷密度较大 影响实用稳定性 目前主要用于制造二极管 目前价格昂贵 但发展迅速 预计到2009年宽带半导体销售可达50亿美金 技术领先公司是美国Cree 近年来其年营业额以约50 速度高速增长 我国一些高校 如中科大 和研究所 如物理所 也在进行相关研究 52 75 缓冲电路 SnubberCircuit 又称为吸收电路 其作用是抑制电力电子器件的内因过电压 du dt或者过电流和di dt 减小器件的开关损耗 分类 分为关断缓冲电路和开通缓冲电路 关断缓冲电路 又称为du dt抑制电路 用于吸收器件的关断过电压和换相过电压 抑制du dt 减小关断损耗 开通缓冲电路 又称为di dt抑制电路 用于抑制器件开通时的电流过冲和di dt 减小器件的开通损耗 复合缓冲电路 关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 还可分为耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 耗能式缓冲电路 缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上 馈能式缓冲电路 缓冲电路能将其储能元件的能量回馈给负载或电源 也称无损吸收电路 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路 而将开通缓冲电路区别叫做di dt抑制电路 三 缓冲电路 53 75 图9 14di dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a 电路b 波形 缓冲电路 图9 14a给出的是一种缓冲电路和di dt抑制电路的电路图 在无缓冲电路的情况下 di dt很大 关断时du dt很大 并出现很高的过电压 如图9 14b 在有缓冲电路的情况下 V开通时 Cs先通过Rs向V放电 使iC先上一个台阶 以后因为Li的作用 iC的上升速度减慢 V关断时 负载电流通过VDs向Cs分流 减轻了V的负担 抑制了du dt和过电压 因为关断时电路中 含布线 电感的能量要释放 所以还会出现一定的过电压 三 缓冲电路 54 75 图9 15关断时的负载线 图9 16另外两种常用的缓冲电路a RC吸收电路b 放电阻止型RCD吸收电路 关断过程 无缓冲电路时 uCE迅速上升 负载线从A移动到B 之后iC才下降到漏电流的大小 负载线随之移动到C 有缓冲电路时 由于Cs的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降 因此负载线经过D到达C 负载线在到达B时很可能超出安全区 使V受到损坏 而负载线ADC是很安全的 且损耗小 另外两种常用的缓冲电路形式 RC缓冲电路主要用于小容量器件 而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件 晶闸管在实际应用中一般只承受换相过电压 没有关断过电压问题 关断时也没有较大的du dt 因此一般采用RC吸收电路即可 三 缓冲电路 55 75 50A 200A 200A 三 缓冲电路 56 75 缓冲电路参数估算 缓冲电容 L 主回路杂散电感 与配线长度有关 I0 关断时漏极电流VCEP 缓冲电容上电压稳态值 有安全区确定 Ed 直流电源电压缓冲电阻 在关断信号到来前 将缓冲电容上电荷放净 f 开关频率 缓冲电阻功率 LS 缓冲电路电感 57 75 一 静音式变频调速系统 9 1 5IGBT器件的应用电路 58 75 二 工业加热电源 59 75 三 逆变弧焊电源 60 75 四 不间断电源 UPS 61 75 五 有源功率滤波器 62 75 9 2电力电子器件的保护 9 2 1过电压的产生及过电压保护9 2 2过电流保护 63 75 9 2 1过电压的产生及过电压保护 过电压分为外因过电压和内因过电压两类 外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外部原因 包括 操作过电压 由分闸 合闸等开关操作引起的过电压 雷击过电压 由雷击引起的过电压 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 包括 换相过电压 晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后 反向电流急剧减小 会由线路电感在器件两端感应出过电压 关断过电压 全控型器件在较高频率下工作 当器件关断时 因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压 64 75 9 2 1过电压的产生及过电压保护 图9 10过电压抑制措施及配置位置F 避雷器D 变压器静电屏蔽层C 静电感应过电压抑制电容RC1 阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2 阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV 压敏电阻过电压抑制器RC3 阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4 直流侧RC抑制电路RCD 阀器件关断过电压抑制用RCD电路 过电压抑制措施及配置位置 各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种 RC3和RCD为抑制内因过电压的措施 65 75 9 2 1过电压的产生及过电压保护 图9 11RC过电压抑制电路联结方式a 单相b 三相 图9 12反向阻断式过电压抑制用RC电路 抑制外因过电压来采用RC过电压抑制电路 对大容量的电力电子装置 可采用图9 12所示的反向阻断式RC电路 采用雪崩二极管 金属氧化物压敏电阻 硒堆和转折二极管 BOD 等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施 66 75 9 2 2过电流保护 图9 13过电流保护措施及配置位置 过电流分过载和短路两种情况 过电流保护措施及其配置位置 快速熔断器 直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施 一般电力电子装置均同时采用几种过电流保护措施 以提高保护的可靠性和合理性 通常 电子电路作为第一保护措施 快熔仅作为短路时的部分区段的保护 直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护 过电流继电器整定在过载时动作 67 75 9 2 2过电流保护 快速熔断器 简称快熔 是电力电子装置中最有效 应用最广的一种过电流保护措施 选择快熔时应考虑 电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定 电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定 快熔的t值应小于被保护器件的允许t值 为保证熔体在正常过载情况下不熔化 应考虑其时间 电流特性 快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种 全保护 过载 短路均由快熔进行保护 适用于小功率装置或器件裕度较大的场合 短路保护 快熔只在短路电流较大的区域起保护作用 对重要的且易发生短路的晶闸管设备 或全控型器件 需采用电子电路进行过电流保护 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节 器件对电流的响应是最快的 68 75 9 3电力电子器件的串联使用和并联使用 9 3 1晶闸管的串联9 3 2晶闸管的并联9 3 3电力MOSFET的并联和IGBT的并联 69 75 9 3 1晶闸管的串联 图9 17晶闸管的串联a 伏安特性差异b 串联均压措施 对较大型的电力电子装置 当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时 往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作 或者将电力电子装置串联或并联起来工作 晶闸管的串联 当晶闸管的额定电压小于实际要求时 可以用两个以上同型号器件相串联 静态不均压问题 由于器件静态特性不同而造成的均压问题 为达到静态均压 首先应选用参数和特性尽量一致的器件 此外可以采用电阻均压 动态不均压问题 由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题 为达到动态均压 同样