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IGBT在大功率斩波中的应用介绍

菜鸟
2013-08-27 10:10:25    评分

  IGBT在大功率斩波中的应用介绍

  IGBT是近代新发展起来的全控型功率半导体器件,它是由MOSFET(场效应晶体管)与GTR(大功率达林顿晶体管)结合,并由前者担任驱动,因此具有:驱动功率小,通态压降低,开关速度快等优点,目前已广泛应用于变频调速、开关电源等电力电子领域。

  斩波是电力电子控制中的一项变流技术,其实质是直流控制的脉宽调制,因其波形如同斩切般整齐、对称,故名斩波。斩波在内馈调速控制中占有极为重要的地位,它不仅关系到调速的技术性能,而且直接影响设备的运行安全和可靠性,因此。如何选择斩波电路和斩波器件十分重要。

  一. IGBT的标称电流与过流能力

  1) IGBT的额定电流

  目前,IGBT的额定电流(元件标称的电流)是以器件的最大直流电流标称的,元件实际允许通过的电流受安全工作区的限制而减小,由图1所示的IGBT安全工作区可见,影响通过电流的因素除了c-e电压之外,还有工作频率,频率越低,导通时间越长,元件发热越严重,导通电流越小。

  二. IGBT的高阻放大区

  “晶体管是一种放大器”,ABB公司的半导体专家卡罗尔在文献1中对晶体管给出了中肯评价。晶体管与晶闸管的本质区别在于:晶体管具有放大功能,器件存在导通、截止和放大三个工作区,而放大区的载流子处于非饱和状态,故放大区的电阻远高于导通区;晶闸管是晶体管的正反馈组合,器件只存在导通和截止两个工作区,没有高阻放大区。

  . 三. IGBT的封装形式与散热

  对于半导体器件,管芯温度是最重要的可靠条件,几乎所有的技术参数值都是在允许温度(通常为120○——140○C)条件下才成立的,如果温度超标,器件的性能急剧下降,最终导致损坏。

  半导体器件的封装形式是为器件安装和器件散热服务的。定额200A以上的器件,目前主要封装形式有模块式和平板压接式两种,螺栓式基本已经淘汰。

  模块式结构多用于将数个器件整合成基本变流电路,例如,整流、逆变模块,具有体积小,安装方便,结构简单等优点,缺点是器件只能单面散热,而且要求底板既要绝缘又要导热性能好(实现起来很困难),只适用于中小功率的单元或器件。

  平板式结构主要用于单一的大电流器件,是将器件和双面散热器紧固在一起,散热器既作散热又作电极之用。平板式的优点是散热性能好,器件工作安全、可靠。缺点是安装不便,功率单元结构复杂,维护不如模块式方便。

  四. IGBT的并联均流问题

  目前,国外单管IGBT的最大容量为2000A/2500V,实际的商品器件容量为1200A/2400V,根据大功率斩波的需要,通常,额定工作电流为400A——1500A,考虑到器件工作安全,必须留有2倍左右的电流裕度,再结合本文前述的IGBT最大电流标称问题,单一器件无法满足要求,必须采用器件并联。半导体器件并联存在的均流问题是影响可靠性的关键,由于受离散性的限制,并联器件的参数不可能完全一致,于是导致并联器件的电流不均,此时的1+1小于2,特别是严重不均流时,通态电流大的器件将损坏,这是半导体器件并联中老大难的问题,为此,要提高斩波包括其它电力电子设备的可靠性,应该尽量避免器件并联,而采用单管大电流器件。

  从理论上讲,IGBT在大电流状态具有正温度系数,可以改善均流性能,但是毕竟有限,加上可控半导体器件的均流还要考虑驱动一致性,否则,既使导通特性一致,也无法实现均流,这样,就给IGBT并联造成了极大困难。

  五. IGBT的驱动与隔离问题

  可控半导体器件都存在控制部分,晶闸管和晶体管也不例外。为了提高可靠性,要求驱动或触发部分必须和主电路严格隔离,两者不能有电的联系。中国电力电子产业网

  与晶闸管的脉冲沿触发特性不同(沿驱动),IGBT等晶体管的导通要求栅极具有持续的电流或电压(电平驱动),这样,晶体管就不能象晶闸管那样,通过采用脉冲变压器实现隔离,驱动电路必须是有源的,电路较为复杂,而且包含驱动电源在内,要和主电路有高耐压的隔离。实践证明,晶体管的驱动隔离是导致系统可靠性降低不可忽略的因素,据不完全统计,由于驱动隔离问题而导致故障的几率约占总故障的15%以上。

  就全控性能而言,IGBT是最适合斩波应用的器件,而且技术极为简单,几乎IGBT器件本身就构成了斩波电路。但是要把IGBT斩波形成产品,问题就没有那么简单,特别是大功率斩波,如果不面对现实,认真研究、发现和解决存在的问题,必将事与愿违,斩波设备的可靠性将遭受严重的破坏。不知道是出于技术认识问题还是商务目的,近来发现,某些企业对IGBT晶体管倍加推崇,而对晶闸管全面否定,显然,这是不科学的。为了尊重科学和澄清事实,本文就晶闸管和以IGBT为代表的晶体管的性能、特点加以分析和对比,希望能够并引起讨论,还科学以本来面目。





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