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发表于 2011-9-23 09:59 | 显示全部楼层 |阅读模式

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功率模块IGBT、IPM、PIM 的性能及使用时有关问题的综述
1 IGBT主要用途
   
    IGBT是先进的第三代功率模块,工作频率1-20KHZ,主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路,即DC/AC变换中。例电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。问世迄今有十年多历史,几乎已替代一切其它功率器件,例SCR、GTO、GTR、MOSFET,双极型达林顿管等,目今功率可高达1MW的低频应用中,单个元件电压可达4.0KV(PT结构)— 6.5KV(NPT结构),电流可达1.5KA,是较为理想的功率模块。
    追其原因是第三代IGBT模块,它是电压型控制,输入阻抗大,驱动功率小,控制电路简单,开关损耗小,通断速度快,工作频率高,元件容量大等优点。实质是个复合功率器件,它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体化。又因先进的加工技术使它通态饱和电压低,开关频率高(可达20KHZ),这两点非常显著的特性,最近西门子公司又推出低饱和压降(2.2V)的NPT—IGBT性能更佳,相继东芝、富士、IR、摩托罗拉亦已在开发研制新品种。
    IGBT发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成本为目标的,特别是发展高压变频器的应用,简化其主电路,减少使用器件,提高可靠性,降低制造成本,简化调试工作等,都与IGBT有密切的内在联系,所以世界各大器件公司都在奋力研究、开发,予估近2-3年内,会有突破性的进展。目今已有适用于高压变频器的有电压型HV-IGBT,IGCT,电流型SGCT等。
   
    2 关断浪涌电压
   
    在关断瞬时流过IGBT的电流,被切断时而产生的瞬时电压。它是因带电动机感性负载(L)及电路中漏电感(Lp),其总值L*p = L + Lp则Vp* = Vce + Vp而Vp = L*p di/dt在极端情况下将产生Vp* Vces(额定电压)导致器件的损坏发生,为此要采取尽可能减小电感(L),电路中的漏电感(Lp)—由器件制造结构而定,例合理分布,缩短到线长度,适当加宽减厚等。
   
    3 恢复浪涌电压
   
    续流二极管是为当IGBT下臂关断,电感性电流就可在上臂续流管提供通路,(这时处正向导通),它将减小di/dt值,防止产生过电压。但又当下臂导通时,续流二极管反向恢复,变为负值而关断,电流将要下降为零值,因Lp存在要产生浪涌电压,阻止电流的下降,尤其当使用硬恢复二极管时,将产生较高的反向恢复di/dt值,可导致很高的瞬时电压出现。
   
    4 缓冲电路形式
   
    用以控制关断浪涌电压和恢复浪涌电压,以减少模块的开关损耗及瞬时过电压值而采用的。虽然IGBT具有强大的开关安全工作区,但需控制瞬时电压值,而缓冲电路在每次开关循环中都可通过IGBT放电,故有一定功耗产生,但能确保使用的安全。
     
    图1-A仅有一个低电感量的电容器组成,对小功率一单元模块,可接在C和E之间,对六合一封装模块可接P 和N 之间,对减小瞬变电压有效、简单、成本低、适用小功率器件。
    图1-B使用快速二极管,它可箝住瞬变电压,从而抑制与母线寄生电感,作减幅振荡。RC为时间常数,设为开关周期1/3(即τ= T/3 = 1/3fz),适用中功率器件。
   图1-C类似B图,但具有更小的回路电感,它直接于每个IGBT的C极和E极,并使用一个小型RCD(阻容二极管)效果较好,能抑制缓冲电路的寄生振荡,适用大功率器件具体推荐值见表1。

    5 减小功率电路的电感
   
    浪涌电压的能量与1/2LpI 成正比,因此减小Lp是主要的,可选用多层正负交*,宽偏形迭层母线,包括IGBT间联接,与大电容器的联接等,例大功率变频器的母排等,都采用上述方法,例罗克韦尔A-B公司等变频器就是这样的方法来减小功率电路的电感。
        
    6 接地回路形式
   
    当栅极G驱动或控制信号与主电流共用一个电流路径时,会导致接地回路,这可能出现本应地电位,而实际有几伏的电位值,使本来偏置截止的器件,就可能发生导通,而造成误动作。因此在大功率IGBT应用中,或di/dt很高时,就难发生上述现象的发生,故对不用容量的器件,有下述三种电路见图2。
     
   
    图2-A存在共地回路电位问题的,它的栅极电路地线与主电路(一)母线相通,适用于<100A六合一封装器件,但仍要高反偏置电压5-15V。
    图2-B对下半臂器件选用独立栅极电源供电,采用辅助发射极和就近驱动电源介耦电容的方法,能使接地回路噪声得到最好抑制,适用200A以下模块。
    图2-C对下半臂每一个栅极驱动电路,都采用了分离绝缘电源,以消除接地回路的噪音问题,效果更好,适用≥300A的模块。
   
    7 IGBT的损耗
   
    是指IGBT在开通或关断过渡过程期间的功率损耗。当PWM信号频率>5KHZ时开关损耗会非常显著,因此在变频器使用时,必须正确的选择载波频率值的大小,是件重要的问题。具体如何选值,请参见2001年七期“变频器世界”期刊。此文由张选正撰写的,题目“变频器载波频率值正确选择的依据”一文。
    总之载波频率的大小与器件的开关损耗,器件的发热,电流的波形,干扰的大小,电动机噪音和振动等有关的,因此不等功率的电动机和现场条件来正确选择载波频率值大小,亦是属变频器调试中一个主要环节。
   
    8 关于结温的大小
   
    IGBT模块的芯片最大额定结温是150℃,在任何工作条件下,都不允许超过,否则要发生热击穿而造成损坏,一般要留余地,在最恶劣条件下,结温限定在125℃以下,但芯片内结温监测有难度,所以变频器的IGBT模块,都在散热器表面装有温控开关,其值在80-85℃之间,当达到此温度时,即因过热保护动作,从而自动停机,以确保IGBT的安全。亦有用热敏电阻。
   
    9 散热器的安装
   
      IGBT模块直接固定在散热器上,螺钉一定要受力均匀,先要予紧次序是图3
      ①→②→③→④,最终拧紧次序是④→③→②→①可见图3。散热器表面要平整清洁,要求平面度≤150μm,最好用力矩把手(具体值可参见应用手册),表面光洁度≤6μm,在界面要涂传热导电膏,涂层要均匀,厚度约150μm。关于不同功率的模块散热器面积的计算,请参阅有关的设计资料。
   
   10 参数的合理选择
   
       参数的选择一条原则是适当留有余地,这样才能确保长期、可靠、安全地运行。工作电压≤50%-60%,结温≤70-80%在这条件下器件是最安全的。制约因素A、在关断或过载条件下,IC要处于安全工作区,即小于2倍的额定电流值;B、IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的;C、结温一定<150℃以下,指在任何情况下,包括过载时。具体选用时可查表2。
       A、开通电压15V±10%的正栅极电压,可产生完全饱和,而且开关损耗最小,当<12V时通态损耗加大,>20V时难以实现过流及短路保护。
       B、关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断,并可减小关断损耗最佳值约为-10V。
       C、IGBT不适用线性工作,只有极快开关工作时栅极才可加较低3—11V电压。
       D、饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小,希望越小越好,但价格就要大。饱和压降从1.7V—4.05V以每0.25—0.3V为一个等级,从C→M十个级。
   
    11 栅极电阻Rg
   
    它是串接在栅极电路中可见图4。目的是改善控制脉冲前沿,后沿的陡度和防止振荡,减小IGBT集电极电压的尖脉冲值。又因IGBT的开通或关断是通过栅极电路的充放电来实现的,所以Rg的值对动态特性产生极大的影响,具体如下述:
     A、 Rg值小——充放电较快,能减小开关时间和开关损耗,增强工作的耐固性,避免带来因dv/dt的误导通。不足的是承受噪声能力小,易产生寄生振荡,使开通时di/dt变大,增加逐流二极管(FWD) 恢复时的浪涌电压,具体值可参见表4。
     B、 Rg值大——性能与上述相反。

     栅极驱动的布线对防止潜在振荡,减慢栅极电压上升,减小噪音损耗,降低栅极电压或减小栅极保护电路的效率有较大的影响。要注意事项如下:
     A、 将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最低。
     B、 驱动板和屏蔽栅极驱动电路要正确放置,以防功率电路和控制电路之间的电感耦合。
     C、 采用辅助发射极端子连接栅极驱动电路。
     D、 当驱动PCB板和IGBT控制端子不可能作直接连接时,建议用双股绞线(2转/CM小于3CM长)或带状线,同轴线。
     E、 栅极箝位保护电路,必须按低电感布线,并尽量放置于IGBT模块的栅极,发射极控制端子附近。
     F、 由于IGBT的开关会使用相互电位改变,PCB板的线条之间彼此不宜太近,过高的dv/dt会由寄生电容产生耦合噪声。若布线无法避免交*或平衡时,必须采用屏蔽层,加以保护。
     G、 要减少各器件之间的寄生电容,避免产生耦合噪声。
     H、 用光耦器来作隔离栅极驱动信号,其最小共模抑制比要在10.000V/μS,栅极回路除上述外而防止栅极电路出现高压尖峰,一般在G、E极间并一个电阻Rge,再并二只反串的稳压二极管,以使工作更可靠、安全、有效。Rge值在1000-5000欧之间,见图4。
   
    12 dv/dt及短路保护
   
    在IGBT关断时,栅极要加反向偏置,由于栅极的阻抗很大,该电流令Vge增加,恶劣条件下可达阈值电压时,则IGBT将开通,导致上下臂同时开通使桥臂每一相短路,为防止这现象的发生要注意以下几点:
    A、 在断态时要加足够的负栅极电压值至少-5V。
    B、 在关断时Rg为较低值(可见表4)。
    C、 栅极电路的电感Lg应降至最低。

    当短路情况出现时,IGBT要继续维持在短路安全工作区内,其方法有:
    A、电流传感器
    B、欠饱和式但必须能测出短路到关断IGBT时间在10μs之内,常用有三种方法:
     a、 控制关断—减少栅极电压(有分段或斜坡减少)增加沟道内阻。
     b、 Vge箝位—Vge在18V以下,对小功率器件,可在G极与E极之间用齐纳二极管箝位。
     c、 减少tw—缩短短路持续时间,但将使关断电流增大。
   
    13 使用注意事项
   
    A、 栅极与任何导电区要绝缘,以免产生静电而击穿,所以包装时将G极和E 极之间要有导电泡沫塑料,将它短接。装配时切不可用手指直接接触,直到G极管脚进行永久性连接。
    B、 主电路用螺丝拧紧,控制极G要用插件,尽可能不用焊接方式。
    C、 装卸时应采用接地工作台,接地地面,接地腕带等防静电措施。
    D、 仪器测量时,将100Ω电阻与G极串联。
    E、 要在无电源时进行安装。
    F、 焊接G极时,电烙铁要停电并接地,选用定温电烙铁最合适。当手工焊接时,温度260℃±5℃,时间(10±1)秒,松香焊剂。波峰焊接时,PCB板要预热80℃—105℃,在245℃时浸入焊接3-4秒,松香焊剂。
   
    14 IGBT的串并联
   
    A、 并联目的是增大使用的工作电流,但器件要匹配,每块Vce之差 < 0.3V,还要降流使用,对600V的降10%Ic,1200-1400V的降15%Ic,1700V的降20%Ic,这组值指≥200A的模块,并要取饱和压降相等或接近的模块才行。栅控电路要分开,除静态均流外,还有动态均流问题,并使温度相接近,以免影响电流的均衡分配,因IGBT是负阻特性的器件。
    B、 串联的目的是增高使用的工作电压,其要求比并联更高,主要是静态均压及动态均压问题,尤其是动态均压有一定难度。成都佳灵公司提出的容性母板技术(1+N)只串联动态电压箝位均压方式已处于工业实验阶段。若动态均压不佳,要造成串联臂各器件上的Vce电压不等,造成一个过压影响同一臂一串电击穿。
    C、 总之IGBT的串并联应尽量避免,不要以低压小电流器件,通过串并联企图解决高电压大电流,这样做法往往失得其反,而器件增多可靠性更差,电路亦复杂化等,在不得而已的条件下,要慎重。目今单个IGBT的电压或电流基本能满足用户的需要,随着时代发展电路的改进,将会有更高电压,更大电流的功率器问世,这是必然的。
   
    15 智能IPM模块
   
    智能IPM模块问世已有十年之久,目今有110KW的模块,可供变频器选用。它是先进的混合集成功率器件,将IGBT、驱动电路、保护电路集成化,因此具有高速、高效、低耗、和优化门极驱动及保护电路,欠压锁定,用电流传感功能芯片,对过流和短路保护,更为优越的,整体的可靠性大为提高。IPM有四种电路形式:单管封装(H),双管封装(D),六合一封装(C),七合一封装(R)。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低,可使散热器减小,因而整机尺寸亦可减小,又有自保护能力,减低了在开发和使用中过载情况下损坏的机率,国内外55KW以下的变频器多数采用IPM模块,亦是理所当然的。结温还是125℃,栅控13.5-16.5V之间,就可安全地工作。IPM有:短路保护(SC),过流保护(OC),欠压保护(UV),过热保护(OT),过压保护(OV)等较完全的。有表3可供选用参考。
        
    16 变频专用功率集成模块PIM
   
    最近5年内问世的,专供变频器主电路使用的综合集成功率器件。例德国慕尼黑TYCO公司生产的2.5-66A 1200V系列,4-75A 600V系列,它包含了单相/三相输入整流桥+制动单元(或PFC功率因数单元)+六单元IGBT+NTC温度监测。但不包括驱动电路。有的专业厂例富士等将整流、制动、IGBT、保护、驱动、控制全部一体化集成模块,那样使用更方便、安全、可靠。其特点是:
    A、集成全部器件及电路;B、体积小,功率大,损耗低,较稳定;C、优化内部布线,减少寄生噪音;D有完全的自保护电路,具有快速、灵敏;E、唯一不足的是当其中有一个器件坏时,将造成整体的报损,它不同于分离方式模块,只局限于损坏的更换就可。
   
    17 对IGBT的Vge与Vce的加压次序
   
    众所周知变频器内部的测量电路、保护电路、驱动电路、转换电路、隔离电路、CPU、栅极电路等,所用的电子器件,例TTL、COMS、运放、光耦等都由开关电源提供所需的不同电压值,对IGBT来讲Vge是由开关电源提供±5-15V电压,但Vce是由主电路经三相整流桥滤波后的DC电源(P N )提供的,为确保IGBT的使用安全及误导通,故对Vge与Vce加电压次序有要求。必须是先加Vge且待稳定后(截止偏压-15V,导通偏压+15V),再可加Vce。切莫当G极悬空或未稳定时就加Vce(几百一千伏),因为Cgc极间的耦合电容就可将IGBT误导通,以致过高的dv/dt造成电击穿而损坏。为避免上述现象的发生一般用延时电路方法,使Vce延时Vge约0.2秒,这样大大的提高了使用上安全性、可靠性,尤其是中、大功率的器件更应注意的。
   
    18 结 论
   
    IGBT的使用综合性能是非常优越的,决非其它功率器件所能替代的,因此成为当今逆变电路DC/AC中主要器件,亦是理应所在的。它的弱点是过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较低,因此在使用时必须正确选择器件的容量,要有完全严格的保护电路,按产品技术性能规定来正确选定各种参数值和保护值,是件非常重要的事,切莫粗枝大叶,否则后患无穷,造成经济损失。只要精心设计,规范运行,是能确保使用中安全性和可靠性,这亦是无疑的。

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发表于 2011-12-22 12:08 | 显示全部楼层
好文,支持~·
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发表于 2011-12-23 10:38 | 显示全部楼层
非常好的文章,谢谢分享
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发表于 2011-12-25 18:43 | 显示全部楼层
比较中肯,支持了
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 楼主| 发表于 2011-12-26 17:53 | 显示全部楼层
对大家有用,就是非常好的事情!
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发表于 2012-12-22 12:29 | 显示全部楼层
好文章 很详细···
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[LV.1]初来乍到

发表于 2013-3-8 16:00 | 显示全部楼层
学习下。。。。。。。
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发表于 2013-3-9 22:45 | 显示全部楼层
好文章,就是中间的贴图看不了啊?不知可否给出原文链接?
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[LV.3]偶尔看看II

发表于 2019-10-17 08:26 | 显示全部楼层
图在哪里?下次希望把图补全啊,多谢支持
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发表于 2020-2-10 15:37 | 显示全部楼层
图在哪里呀?如果有图就更好了。
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