1 引言

80年代問世的絕緣柵雙極性晶體管igbt是一種新型的電力電子器件，它綜合了gtr和mosfet的優(yōu)點(diǎn)，控制方便、開關(guān)速度快、工作頻率高、安全工作區(qū)大。隨著電壓、電流等級的不斷提高，igbt成為了大功率開關(guān)電源、變頻調(diào)速和有源濾波器等裝置的理想功率開關(guān)器件，在電力電子裝置中得到非常廣泛的應(yīng)用。
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻大功率化的發(fā)展，開關(guān)器件在應(yīng)用中潛在的問題越來越凸出，開關(guān)過程引起的電壓、電流過沖，影響到了逆變器的工作效率和工作可靠性。為解決以上問題，過電流保護(hù)、散熱及減少線路電感等措施被積極采用，緩沖電路和軟開關(guān)技術(shù)也得到了廣泛的研究，取得了迅速的進(jìn)展。本文就針對這方面進(jìn)行了綜述。

2 igbt的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 在變頻調(diào)速器中的應(yīng)用[3]
spwm變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。主回路為以igbt為開關(guān)元件的電壓源型spwm逆變器的標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)潆娐罚娙萦梢粋€整流電路進(jìn)行充電，控制回路產(chǎn)生的spwm信號經(jīng)驅(qū)動電路對逆變器的輸出波形進(jìn)行控制;變頻器向異步電動機(jī)輸出相應(yīng)頻率、幅值和相序的三相交流電壓，使之按一定的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

2.2 在開關(guān)電源中的應(yīng)用[5]
圖2為典型的ups系統(tǒng)框圖。它的基本結(jié)構(gòu)是一套將交流電變?yōu)橹绷麟姷恼髌骱统潆娖饕约鞍阎绷麟娫僮優(yōu)榻涣麟姷哪孀兤鳌Ｐ铍姵卦诮涣麟娬９╇姇r貯存能量且維持正常的充電電壓，處于“浮充”狀態(tài)。一旦供電超出正常的范圍或中斷時，蓄電池立即對逆變器供電，以保證ups電源輸出交流電壓。

圖2 ups系統(tǒng)框圖

ups逆變電源中的主要控制對象是逆變器，所使用的控制方法中用得比較為廣泛的是正弦脈寬調(diào)制(spwm)法。

2.3 在有源濾波器中的應(yīng)用[6]

圖3 有源濾波系統(tǒng)原理圖

并聯(lián)型有源濾波系統(tǒng)的原理圖如圖3所示。主電路是以igbt為開關(guān)元件的逆變器，它向系統(tǒng)注入反向的諧波值，理論上可以完全濾除系統(tǒng)中存在的諧波。與變頻調(diào)速器不同的是，有源濾波器pwm控制信號的調(diào)制波是需要補(bǔ)償?shù)母鞔沃C波的合成波形，為了能精確的反映出調(diào)制波的各次諧波成分，必須大大提高載波的頻率。這對開關(guān)器件的開關(guān)頻率也提出了更高的要求。

3 igbt應(yīng)用中的常見問題分析

顯然，igbt是作為逆變器的開關(guān)元件應(yīng)用到各個系統(tǒng)中的，常用的控制方法是pwm法。理論上和事實(shí)上都已經(jīng)證明，如果把pwm逆變器的開關(guān)頻率提高到20khz以上，逆變器的噪聲會更小，體積會更小，重量會更輕，輸出電壓波形會更加正弦化，可見，高頻化是逆變技術(shù)發(fā)展方向[1]。但是通常的pwm逆變器中，開關(guān)器件在高電壓下導(dǎo)通，在大電流下關(guān)斷，處于強(qiáng)迫開關(guān)過程，在高開關(guān)頻率下運(yùn)行時將受到如下一系列因素的限制:
(1) 產(chǎn)生擎住效應(yīng)或動態(tài)擎住效應(yīng)

圖4 igbt內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖

igbt為四層結(jié)構(gòu)，使體內(nèi)存在一個寄生晶閘管，等效電路如圖4所示。在npn管的基極與發(fā)射極之間存在一個體區(qū)短路電rs，p型體區(qū)的橫向空穴流會產(chǎn)生一定的壓降，對j3來說相當(dāng)于一個正偏置電壓。在規(guī)定的范圍內(nèi)，這個正偏置電壓不大，npn管不會導(dǎo)通。當(dāng)ic大于一定程度時，該正偏置電壓足以使npn管開通，進(jìn)而使npn和pnp管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管開通，柵極失去控制作用，即擎住效應(yīng)，它使ic增大，造成過高的功耗，甚至導(dǎo)致器件損壞。溫度升高會使得igbt發(fā)生擎住的icm嚴(yán)重下降[2]。
在igbt關(guān)斷的動態(tài)過程中，如果dvce/dt越高，則在j2結(jié)中引起的位移電流cj2dvce/dt越大，當(dāng)該電流流過體區(qū)短路電阻rs時，可產(chǎn)生足以使npn晶體管開通的正向偏置電壓，滿足寄生晶閘管開通擎住的條件，形成動態(tài)擎住效應(yīng)。溫度升高會加重igbt發(fā)生動態(tài)擎住效應(yīng)的危險。
(2) 過高的di/dt會通過igbt和緩沖電路之間的線路電感引起開關(guān)時的電壓過沖

圖5 線路電感不為零時的開關(guān)過程

以線路電感l(wèi)б≠0時電路進(jìn)行分析，如圖5所示，關(guān)斷過程中，感性負(fù)載電流iб保持不變，即iб=it+id保持不變，it從零增大到iб。由于二極管d導(dǎo)通，voe=0，由于it隨時間線性減小，電感l(wèi)б兩端感應(yīng)電壓vl=vbc=lбdit/dt應(yīng)為負(fù)值, vcb為正值, 即c點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位。
由于 it=i0(1-t/tfi)
故 vl=vbc=lбdit/dt=-lбi0/tfi<0
vcb= -vbc= lбi0/tfi
在it下降的tfi期間，開關(guān)兩端電壓
vt=vcem=vd-vl=vd+lбi0/tfi
因此, 在關(guān)斷過程一開始，vt立即從零上升到vcem, it在從i0下降至零期間, vt=vcem不變。直到it=0、id=i0以后, vt才下降為電源電壓vd，如圖5(b)所示。vcem超過vd的數(shù)值取決于lб、tfi和負(fù)載電流i0, 顯然過快的電流下降率di/dt(即tfi小)、過大的雜散電感l(wèi)б或負(fù)載電流過大都會引起關(guān)斷時元件嚴(yán)重過電壓, 且伴隨著很大的功耗。

可見，盡管igbt的快速開通和關(guān)斷有利于縮短開關(guān)時間和減小開關(guān)損耗，但過快的開通和關(guān)斷，在大電感負(fù)載下，反而是有害的，開通時，存在續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流和吸收電容器的放電電流，則開通越快，igbt承受的峰值電流也就越大，甚至急劇上升，導(dǎo)致igbt或者續(xù)流二極管損壞。關(guān)斷時，大電感負(fù)載隨igbt的超速開通和關(guān)斷，將在電路中產(chǎn)生高頻、幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓ldi/dt，常規(guī)的過電壓吸收電路由于受到二極管開通速度的限制難以吸收該尖峰電壓，因而vce陡然上升產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，igbt將承受較高的dvce/dt沖擊，有可能造成自身或電路中其它元器件因過電壓擊穿而損壞。
(3) 在開通和關(guān)斷瞬間開關(guān)器件的狀態(tài)運(yùn)行軌跡超出反向安全工作區(qū)(rbsoa);
反向安全工作區(qū)(rbsoa)是由比較大集電極電流icm、比較大集射極間電壓vce和電壓上升率dvce/dt三條極限邊界線圍成的，隨igbt關(guān)斷時的在加dvce/dt而改變，dvce/dt越高，rbsoa越窄，因此在開通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的高dvce/dt將會使開關(guān)器件的狀態(tài)運(yùn)行軌跡更容易超出rbsoa，影響開關(guān)可靠性。
(4) 二極管反向恢復(fù)時的dv/dt和igbt關(guān)斷時的浪涌電壓會在開關(guān)時產(chǎn)生過流。
眾所周知，igbt存在彌勒電容ccg和輸入電容cge，igbt兩端的電壓過沖會通過ccg耦合柵極，使柵極電壓瞬時升高，因?yàn)闁艠O負(fù)偏壓和輸入電容cge的存在，這時柵極電壓所達(dá)到的高度比集電極的過沖要低的多，但它還是可能超過門檻值而使本應(yīng)截止的管子導(dǎo)通，因此上下橋臂直通而過電流[7]。
如果由此引起的門極電壓足以使管子進(jìn)入飽和，則已不是直通而是短路了。在集電極電壓過沖后的震蕩衰減過程中這種過流或短路也會連續(xù)多次出現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)證明這一現(xiàn)象確實(shí)存在。

4 常用的解決方法

對于以上問題，一般采取的實(shí)用性措施有:選用有效的過流保護(hù)電路、采用無感線路、積極散熱、采用吸收電路和軟開關(guān)技術(shù)。

4.1 選用有效的過流保護(hù)驅(qū)動電路
在igbt的應(yīng)用中，關(guān)鍵是過流保護(hù)。igbt能承受的過流時間僅為幾微秒，這與scr、gtr(幾十微秒)等器件相比要小得多，因而對過流保護(hù)的要求就更高了。igbt的過電流保護(hù)可分為兩種類型，一種是低倍數(shù)(1.2~1.5倍)的過載電流保護(hù); 另一種是高倍數(shù)(8~10倍)的短路電流保護(hù)。對于過載保護(hù)可采用瞬時封鎖門極脈沖的方法來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。對于短路電流保護(hù)，加瞬時封鎖門極脈沖會因短路電流下降的di/dt太大，極易在回路雜散電感上感應(yīng)出很高的集電極電壓過沖擊穿igbt，使保護(hù)失效[8]。
因此對igbt而言，可靠的短路電流保護(hù)應(yīng)具備下列特點(diǎn):
(1) 首先應(yīng)軟降柵壓，以限制短路電流峰值，延長允許短路時間，為保護(hù)動作贏得時間;
(2) 保護(hù)切斷短路電流應(yīng)實(shí)施軟關(guān)斷
igbt驅(qū)動器exb841、m57962和hl402b均能滿足以上要求。但這些驅(qū)動器不能徹底封鎖脈沖，如不采取措施在故障不消失情況下會造成每周期軟關(guān)斷保護(hù)一次的情況，這樣產(chǎn)生的熱積累仍會造成igbt的損壞。為此可利用驅(qū)動器的故障檢測輸出端通過光電耦合器來徹底封鎖門極脈沖，或?qū)⒐ぷ黝l率降低至1hz以下，在故障消失時自動恢復(fù)至正常工作頻率[9]。
如圖6所示，igbt的驅(qū)動模塊m57962l上自帶保護(hù)功能，檢測電路檢測到檢測輸入端1腳為15v高電平時，判定為電流故障，立即啟動門關(guān)斷電路，將輸出端5腳置低電平，使igbt截止，同時輸出誤差信號使故障輸出端8腳為低電平，以驅(qū)動外接保護(hù)電路工作，延時8~10μs封鎖驅(qū)動信號，這樣能很好地實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。經(jīng)1~2ms延時后，如果檢測出輸入端為高電平，則m57962l復(fù)位至初始狀態(tài)。

圖6 m57962l內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

4.2 采用無感線路
由前面的分析可知，相對于同樣的di/dt，如果減小雜散電感l(wèi)б的數(shù)值，同樣可以緩減關(guān)斷過程的dvce/dt。對于功率較大的igbt裝置，線路寄生電感較大，可用兩條寬而薄的母排，中間夾一層絕緣材料，相互緊疊在一起，構(gòu)成低感母線，也有專門的生產(chǎn)廠家為裝置配套制作無感母線。無感母線降低電壓過沖的意義不僅為了避免過流或短路，還在于減輕吸收電路的負(fù)擔(dān)，簡化吸收電路結(jié)構(gòu)，減少吸收電阻功耗，減少逆變器的體積。這也是很令人關(guān)注的問題[7]。

4.3 積極散熱
igbt在開通過程中，大部分時間是作為mosfet來運(yùn)行的，只是在集射電壓vce下降過程后期，pnp晶體管由放大區(qū)至飽和區(qū)，增加了一段延緩時間，使vce波形被分為兩段。igbt在關(guān)斷過程中，mosfet關(guān)斷后，pnp晶體管中的存儲電荷難以迅速消除，使集電極電流波形變?yōu)閮啥危斐杉姌O電流較大的拖尾時間。顯然，開通關(guān)斷時間的延遲會增加開關(guān)損耗，并且，每開通關(guān)斷一次損耗就會累加，如果開關(guān)頻率很高，損耗就會很大，除了降低逆變器的效率以外，損耗造成的比較直接的影響就是溫度升高，這不僅會加重igbt發(fā)生擎住效應(yīng)的危險，而且，會延長集電極電流的下降時間和集射電壓的上升時間，引起關(guān)斷損耗的增加。顯然，這是一個惡性循環(huán)，因此，為igbt提供良好的散熱條件是有效利用器件，減少損耗的主要措施。除了正確安裝散熱器外，安裝風(fēng)扇以增強(qiáng)空氣流通，可以有效的提高散熱效率。

4.4 軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用
軟開關(guān)技術(shù)是在電路中增加了小電感、電容等諧振元件, 在開關(guān)過程前后引入諧振, 使開關(guān)條件得以改善, 從而抑制開關(guān)過程的電壓、電流過沖, 提高開關(guān)可靠性。目前, 適用于dc/dc和dc/ac變換器的軟開關(guān)技術(shù)有如下幾種[10]:
(1) 諧振型變換器
諧振型變換器是負(fù)載r與lc電路組成的負(fù)載諧振型變換器，其諧振元件在整個開關(guān)周期中一直工作，這種變換器的工作狀態(tài)與負(fù)載的關(guān)系很大，對負(fù)載的變化很敏感。
(2) 準(zhǔn)諧振型變換器qrcs
如圖7所示(a)(b)分別為零電壓準(zhǔn)諧振電路和零電流準(zhǔn)諧振電路，這類變換器的諧振元件只參與能量變換的某一階段而不是全過程，一般采用脈沖頻率調(diào)制法調(diào)控輸出電壓和輸出功率。

圖7 準(zhǔn)諧振電路的基本開關(guān)單元

(3) 諧振型直流環(huán)節(jié)逆變器rdcli

圖8 諧振直流環(huán)電路原理圖

在逆變器直流母線與直流輸入端之間加入一個輔助lc諧振回路，如圖8所示，工作時啟動lc電路不斷地諧振，使并聯(lián)在直流母線上的電容電壓vc周期性地變?yōu)榱悖瑥亩鵀楹竺娴哪孀儤虻拈_關(guān)器件創(chuàng)造零電壓開關(guān)條件。該電路中電壓vc的諧振峰值很高，增加了對開關(guān)器件耐壓的要求。
(4) 零開關(guān)pwm變換器
這類變換器是在qrcs基礎(chǔ)上加入一個輔助開關(guān)管來控制諧振元件的諧振過程，僅在需要開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時才啟動諧振電路，為開通或關(guān)斷制造零電壓或零電流條件。如圖9所示(a)為零電壓pwm開關(guān)電路，(b)為零電流pwm開關(guān)電路，變換器可按恒定頻率的pwm方式運(yùn)行，但是由于諧振電感是與主開關(guān)管串聯(lián)，lr除承受諧振電流外還要提供負(fù)載電流，這樣電源供給負(fù)載的全部能量都要經(jīng)過諧振電感l(wèi)r，使得電路中存在很大的環(huán)流能量，增大電路的導(dǎo)通損耗; 此外，lr的儲能極大的依賴輸入電壓和負(fù)載電流，電路很難在很寬的輸入電壓變化范圍和負(fù)載電流大范圍變化時滿足零電壓、零電流開關(guān)條件。

圖9 零開關(guān)pwm電路的基本開關(guān)

(5) 零轉(zhuǎn)換pwm變換器
如果將諧振電感l(wèi)r及其輔助開關(guān)電路改為與主開關(guān)并聯(lián)，主開關(guān)通態(tài)時，lr中不流過負(fù)載電流，僅在“開通”與“關(guān)斷”時啟動輔助開關(guān)電路形成主開
關(guān)管的零電壓或零電流條件, 改變主開關(guān)通、斷狀態(tài)，開通或關(guān)斷電路。這時輔助電路的工作不會增加主開關(guān)管的電壓和電流壓力, 逆變器可以在很寬的輸入電壓范圍和負(fù)載電路范圍內(nèi)工作在軟開關(guān)狀態(tài)，且電路中的無功交換被削減到比較小。這種pwm變換器稱為零轉(zhuǎn)換pwm變換器，如圖10所示:(a)為零電壓轉(zhuǎn)換pwm開關(guān)電路，(b)為零電流轉(zhuǎn)換pwm開關(guān)電路。電路簡單, 效率高是他們的主要特點(diǎn)。

圖10 零轉(zhuǎn)換pwm電路的基本開關(guān)單元

軟開關(guān)技術(shù)需要附加額外的開關(guān)元件、輔助電源、檢測手段、控制策略等，輔助開關(guān)驅(qū)動電路要與主開關(guān)驅(qū)動電路隔離，且對輔助電路提出了更快的開關(guān)時間要求。電路與控制的復(fù)雜化帶來了成本的提高與可靠性的降低，故許多軟開關(guān)技術(shù)的推廣應(yīng)用受到很大的限制。如果軟開關(guān)技術(shù)采用新的驅(qū)動技術(shù)，可使用與主開關(guān)驅(qū)動信號有簡單邏輯關(guān)系的信號控制輔助開關(guān)，甚至由電路進(jìn)行自驅(qū)動，那么控制、檢測、驅(qū)動等附加電路可全部去掉，這將是軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的方向之一。

4.5 吸收電路
吸收電路，又稱緩沖電路。它利用無源器件通過參數(shù)匹配使主開關(guān)管工作于零電壓或零電流狀態(tài)，達(dá)到抑制電力電子器件的關(guān)斷時過電壓、開通時過電流，減小器件的開關(guān)損耗的目的。吸收電路一般分為兩類:
(1) 吸收電路中儲能元件的能量如果消耗在其吸收電阻上，稱其為耗能式吸收電路;
(2) 若吸收電路能夠?qū)⑵鋬δ茉哪芰炕仞伣o負(fù)載或電源，稱其為能量回饋型吸收電路，或稱為無損吸收電路。
傳統(tǒng)的耗能式吸收電路把能量通過電阻泄放，主管開關(guān)損耗的降低以額外吸收損耗的增加為代價，而無損吸收技術(shù)能夠?qū)δ茉械哪芰炕仞佒岭娫础⒇?fù)載或大幅削減其數(shù)值，大大增加吸收強(qiáng)度,達(dá)到軟開關(guān)目的[4]。
實(shí)現(xiàn)橋臂無損吸收見諸文獻(xiàn)的大約有如圖11所示幾種。圖11(a)(e)[12]電路從理論上實(shí)現(xiàn)了逆變器橋臂的無源無損吸收，但用作能量回饋的變壓器，其副邊的二極管耐壓值過高是該電路的致命弱點(diǎn); 圖11(c)(d)[11]實(shí)際上是用于橋式dc-dc變換器的結(jié)構(gòu), 這一拓?fù)渲须姼袉渭冇米饕种莆针娙莩浞烹婋娏?

圖11 幾種無源無損耗吸收電路

對于一般逆變橋臂則起不到開通緩沖的作用; 圖11(b)[13]是無損吸收電路研究的比較新水平，它完全用lcd網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無損吸收, 避免了互感元件帶來的一系列問題, 比較大限度地歸并元件, 工程適用化程度高; 但也存在一些問題,如主開關(guān)關(guān)斷沖擊電壓和開通電流過沖相互制約, 且負(fù)載依賴性大, 工作適應(yīng)范圍小, 設(shè)計(jì)、安裝難度大，多相臂間可能相互影響等。吸收電路是比較早被采用的開關(guān)應(yīng)力改善方法[14][15]。相比軟開關(guān)技術(shù)，他在變換效率、可靠性等指標(biāo)上以及性價比方面占優(yōu)。但也存在一些缺點(diǎn):具有較強(qiáng)負(fù)載依賴性; 使用變壓器時，負(fù)邊二極管耐壓值過高; 吸收網(wǎng)絡(luò)分析困難，附加損耗大等，這些都是與無源方式的固有性質(zhì)相關(guān)聯(lián)的。

5 結(jié)束語

為降低pwm逆變器中的功率元件igbt高頻工作下的開關(guān)損耗,改善線路電感分布電容等因素對開關(guān)及其工作過程的影響，抑制開關(guān)在開通和關(guān)斷時的di/dt和dv/dt,本文介紹了多種解決方法。
選用帶有效過流保護(hù)的驅(qū)動電路是igbt開關(guān)逆變器正常工作的前提，目前國內(nèi)外常用的igbt驅(qū)動電路模塊都帶有過流保護(hù)功能，對短路電流能夠正確的判斷并采取相應(yīng)措施，對開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)可靠的保護(hù)。

積極散熱是必不可少的措施，雖然它不能從本質(zhì)上降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)可靠性，但保持一定的冷卻條件不僅可以減少發(fā)生擎住效應(yīng)的危險，也可以在一定程度上抑制開關(guān)損耗。
軟開關(guān)是在開關(guān)處于零電壓或零電流狀態(tài)時開通或關(guān)斷，則理論上由于元件在開關(guān)前后狀態(tài)不變，即di/dt＝0或dv/dt＝0，就沒有了過壓和過流的問題，而且，開關(guān)速度不受影響，損耗就減少了。但為了制造軟開關(guān)，開通狀態(tài)下的電壓電流難免會作相應(yīng)的變化(振蕩)，增加通態(tài)損耗，由于導(dǎo)通壓降不是很大，損耗不會增加很多。

吸收電路是將在元件開關(guān)過程中產(chǎn)生的過壓和過流等多余的能量吸收，并存儲在儲能元件里，等開關(guān)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，再想辦法把儲存的能量反饋到電源和負(fù)載中，以提高逆變器的效率。
采用無感母線可以減輕吸收電路的負(fù)擔(dān)，簡化吸收電路結(jié)構(gòu)，降低吸收電阻功耗，減少逆變器的體積。
以上幾項(xiàng)措施的采用，使得igbt即便在高開關(guān)頻率下也能安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的運(yùn)行。