IGBT模块及其应用

IGBTIGBT 模块及其应用模块及其应用 IGBT 模块及其应用模块及其应用 作者 西安爱帕克电力电子有限公司 1 前 言 众所周知 IGBT 以其输进阻抗高 开关速度快 通态电压低 阻断电压高 承受电流大等特点 已成为当今功率半导体器件发展的主流器件 自二十世纪 八十年代初期研制成功以来 其工艺技术和参数精益求精和进步 IGBT 已由 第三代 第四代发展到了第五代 由穿通型 PT 型 发展到非穿通型 NPT 型 其电性能参数日趋完善 IGBT 模块也在此基础上同步发展 有单管模 块 半桥模块 高端模块 低端模块 6 单元模块等 公道的驱动保护是 IGBT 安全工作的条件条件 特别是选择公道的栅极驱动电压 Uge 和公道的栅 极串联电阻 Rg 以及过电压过电流保护尤为重要 IGBT 模块的应用电路有半 桥电路逆变 全桥电路逆变 三相逆变 斩波应用等 IGBT 模块已被广泛应 用于 UPS 感应加热电源 逆变焊机电源和电机变频调速等电源领域 2 IGBT 模块电路结构 2 1 单管模块 一般说来 单管 IGBT 模块其额定电流比较大 是由多个 IGBT 芯片和快恢复 二极管 FRD 芯片在模块内部并联而成 其电路结构如图 1 所示 表 1 给出 了美国 IR 公司在中国的合资公司西安爱帕克公司生产的单管 IGBT 模块型号 及电性能参数 图 1 单管电路结构 图 2 半桥电路结构 2 2 半桥模块 半桥 IGBT 模块也称为 2 单元模块 是一个桥臂 其内部电路结构如图 2 所示 表 2 给出了西安爱帕克公司生产的半桥 IGBT 模块型号及电性能参数 两只半 桥 IGBT 模块可组玉成桥 H 桥 逆变电路 2 3 高端模块 高端 IGBT 模块其内部电路结构如图 3 a 和图 3 b 所示 图 3 a 为斩 波器应用电路结构 图 3 b 为感应加热应用电路结构 表 2 给出了西安爱 帕克公司生产的高端 IGBT 模块型号及电性能参数 图 3 a 高端电路结构 图 3 b 高端电路结构 2 4 低端模块 低端 IGBT 模块其内部电路结构如图 4 a 图 4 b 所示 图 4 a 为斩波 器应用电路结构 图 4 b 为感应加热应用电路结构 表 2 给出了西安爱帕 克公司生产的低端 IGBT 模块型号及电性能参数 3 IGBT 模块驱动保护要点 3 1 IGBT 栅极驱动电压 Uge 理论上 Uge Uge th 即栅极驱动电压大于阈值电压时 IGBT 即可开通 一般 情况下阈值电压 Uge th 5 6V 为了使 IGBT 开通时完全饱和 并使通态损 耗最小 又具有限制短路电流能力 栅极驱动电压 Uge 需要选择一个合适的 值 当栅极驱动电压 Uge 增加时 通态压降减小 通态损耗减小 但 IGBT 承 受短路电流能力减小 当 Uge 太大时 可能引起栅极电压振荡 损坏栅极 当栅极驱动电压 Uge 减小时 通态压降增加 通态损耗增加 但 IGBT 承受短 路电流能力进步 为获得通态损耗最小 同时 IGBT 又具有较好的承受短路电 流能力 通常选取栅极驱动电压 Uge D Uge th 系数 D 1 5 2 2 5 3 当阈值电压 Uge th 为 6V 时 栅极驱动电压 Uge 则分别为 9V 12V 15V 18V 栅极驱动电压 Uge 折衷取 12V 15V 为宜 12V 最佳 IGBT 关断时 栅极加负偏压 进步抗干挠能力 进步承受 dv dt 能力 栅极负 偏压一般为 10V 3 2 IGBT 栅极电阻 Rg 选择适当的栅极串联电阻 Rg 对 IGBT 驱动相当重要 当 Rg 增大时 可抑制 栅极脉冲前后沿陡度和防止振荡 减小开关 di dt 限制 IGBT 集电极尖峰电压 但 Rg 增大时 IGBT 开关时间延长 开关损耗加大 当 Rg 减小时 减小 IGBT 开关时间 减小开关损耗 但 Rg 太小时 可导致 ge 之间振荡 IGBT 集电极 di dt 增加 引起 IGBT 集电极尖峰电压 使 IGBT 损坏 因此 应根据 IGBT 电流容量和电压额定值以及开关频率选取 Rg 值 如 10 15 27 等 并建议 ge 之间并联一数值为 10K 左右的 Rge 以防止栅极损坏 3 3 IGBT 过电压过电流保护 过电压过电流是造成 IGBT 损坏的两大主要因素 应加以有效的保护 对于过 电流 假如采用电流传感器保护 首先应考虑电流传感器的响应时间 建议过 电流保护点设定为模块额定电流的 1 5 2 倍为宜 如 GA100TS120K 的模块电 流额度值为 100A 电流传感器设定为 150A 200A 如 GA200TD120K 的模 块电流额度值为 200A 电流传感器设定为 300A 400A 假如采用通态电压 Vce on 来保护 建议 Vce on 设定为 5 6V 这时模块的峰值电流约为额度 值的 2 2 5 倍 对于过电压 通常采用 RCD 吸收过电压尖峰 最好是采用无感电阻和无感电 容 同时 必须尽量减少或者消除布线时的杂散电感 可以通过减小整个电路 有效回路面积来减小杂散电感 另外 还可以通过适当增加栅极串联电阻 Rg 来抑制过电压尖峰 4 IGBT 模块典型应用 4 1 感应加热电源 图 5 为并联谐振感应加热电源主电路 由两只低端 IGBT 模块和两只高端 IGBT 模块组成 也可由四只单管 IGBT 模块和四只快恢复二极管模块组成 视感应加热电源功率而定 对管 G1 G4 和 G2 G3 轮流开通关断工作 输 出电压和电流分别为正弦波和方波 图 5 IGBT 感应加热电源主电路 4 2 逆变焊机电源 图 6 为一全桥式逆变电路 由两只半桥 IGBT 模块组成 采用 PWM 控制 对 管 G1 G4 和 G2 G3 轮流开通关断工作 输出电压为交变方波 此电路广 泛应用于电焊机电源 图 6 IGBT 逆变焊机电源主电路 4 3 变频调速电源 图 7 为 IGBT 三相 PWM 逆变电路 由三只半桥 IGBT 模块组成 用于变频调 速电源和 UPS 电源 图 7 IGBT 变频调速电源主电路 5 结 论 本文扼要叙述了 IGBT 模块的几种典型内部电路结构 给出了美