功率模塊IGBT、IPM、PIM的性能及使用時有關(guān)問題的綜述
| ，避免產(chǎn)生耦合噪聲。 H、 用光耦器來作隔離柵極驅(qū)動信號，其最小共模抑制比要在10.000V/μS，柵極回路除上述外而防止柵極電路出現(xiàn)高壓尖峰，一般在G、E極間并一個電阻Rge，再并二只反串的穩(wěn)壓二極管，以使工作更可靠、安全、有效。 Rge值在1000-5000歐之間，見圖4。 12 dv/dt及短路保護 在IGBT關(guān)斷時，柵極要加反向偏置，由于柵極的阻抗很大，該電流令Vge增加，惡劣條件下可達閾值電壓時，則IGBT將開通，導(dǎo)致上下臂同時開通使橋臂每一相短路，為防止這現(xiàn)象的發(fā)生要注意以下幾點： A、 在斷態(tài)時要加足夠的負柵極電壓值至少-5V。 B、 在關(guān)斷時Rg為較低值（可見表4）。 C、 柵極電路的電感Lg應(yīng)降至最低。 當(dāng)短路情況出現(xiàn)時，IGBT要繼續(xù)維持在短路安全工作區(qū)內(nèi)，其方法有： A、電流傳感器 B、欠飽和式但必須能測出短路到關(guān)斷IGBT時間在10μs之內(nèi)，常用有三種方法： A、 控制關(guān)斷—減少柵極電壓（有分段或斜坡減少）增加溝道內(nèi)阻。 B、 Vge箝位—Vge在18V以下，對小功率器件，可在G極與E極之間用齊納二極管箝位。 C、 減少tw—縮短短路持續(xù)時間，但將使關(guān)斷電流增大。 13 使用注意事項 A、 柵極與任何導(dǎo)電區(qū)要絕緣，以免產(chǎn)生靜電而擊穿，所以包裝時將G極和E極之間要有導(dǎo)電泡沫塑料，將它短接。裝配時切不可用手指直接接觸，直到G極管腳進行永久性連接。 B、 主電路用螺絲擰緊，控制極G要用插件，盡可能不用焊接方式。 C、 裝卸時應(yīng)采用接地工作臺，接地地面，接地腕帶等防靜電措施。 D、 儀器測量時，將100Ω電阻與G極串聯(lián)。 E、 要在無電源時進行安裝。 F、 焊接G極時，電烙鐵要停電并接地，選用定溫電烙鐵最合適。當(dāng)手工焊接時，溫度260℃±5℃，時間（10±1）秒，松香焊劑。波峰焊接時，PCB板要預(yù)熱80℃—105℃，在245℃時浸入焊接3-4秒，松香焊劑。 14 IGBT的串并聯(lián) A、 并聯(lián)目的是增大使用的工作電流，但器件要匹配，每塊Vce之差 < 0.3V，還要降流使用，對600V的降10%Ic，1200-1400V的降15%Ic，1700V的降20%Ic，這組值指≥200A的模塊，并要取飽和壓降相等或接近的模塊才行。柵控電路要分開，除靜態(tài)均流外，還有動態(tài)均流問題，并使溫度相接近，以免影響電流的均衡分配，因IGBT是負阻特性的器件。 B、 串聯(lián)的目的是增高使用的工作電壓，其要求比并聯(lián)更高，主要是靜態(tài)均壓及動態(tài)均壓問題，尤其是動態(tài)均壓有一定難度。成都佳靈公司提出的容性母板技術(shù)（1+N）只串聯(lián)動態(tài)電壓箝位均壓方式已處于工業(yè)實驗階段。若動態(tài)均壓不佳，要造成串聯(lián)臂各器件上的Vce電壓不等，造成一個過壓影響同一臂一串電擊穿。 C、 總之IGBT的串并聯(lián)應(yīng)盡量避免，不要以低壓小電流器件，通過串并聯(lián)企圖解決高電壓大電流，這樣做法往往失得其反，而器件增多可靠性更差，電路亦復(fù)雜化等，在不得而已的條件下，要慎重。目今單個IGBT的電壓或電流基本能滿足用戶的需要，隨著時代發(fā)展電路的改進，將會有更高電壓，更大電流的功率器件問世，這是必然的。 15 智能IPM模塊 智能IPM模塊問世已有十年之久，目今有110KW的模塊，可供變頻器選用。它是先進的混合集成功率器件，將IGBT、驅(qū)動電路、保護電路集成化，因此具有高速、高效、低耗、和優(yōu)化門極驅(qū)動及保護電路，欠壓鎖定，用電流傳感功能芯片，對過流和短路保護，更為優(yōu)越的，整體的可靠性大為提高。IPM有四種電路形式：單管封裝（H），雙管封裝（D），六合一封裝（C），七合一封裝（R）。由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，可使散熱器減小，因而整機尺寸亦可減小，又有自保護能力，減低了在開發(fā)和使用中過載情況下?lián)p壞的機率，國內(nèi)外55KW以下的變頻器多數(shù)采用IPM模塊，亦是理所當(dāng)然的。結(jié)溫還是125℃，柵控13.5-16.5V之間，就可安全地工作。IPM有：短路保護（SC），過流保護（OC），欠壓保護（UV），過熱保護（OT），過壓保護（OV）等較完全的。有表3可供選用參考。 16 變頻專用功率集成模塊PIM 最近5年內(nèi)問世的，專供變頻器主電路使用的綜合集成功率器件。例德國慕尼黑TYCO公司生產(chǎn)的2.5-66A 1200V系列，4-75A 600V系列，它包含了單相/三相輸入整流橋+制動單元（或PFC功率因數(shù)單元）+六單元IGBT+NTC溫度監(jiān)測。但不包括驅(qū)動電路。有的專業(yè)廠例富士等將整流、制動、IGBT、保護、驅(qū)動、控制全部一體化集成模塊，那樣使用更方便、安全、可靠。其特點是： A、集成全部器件及電路；B、體積小，功率大，損耗低，較穩(wěn)定；C、優(yōu)化內(nèi)部布線，減少寄生噪音；D有完全的自保護電路，具有快速、靈敏；E、唯一不足的是當(dāng)其中有一個器件壞時，將造成整體的報損，它不同于分離方式模塊，只局限于損壞的更換就可。 17 對IGBT的Vge與Vce的加壓次序 眾所周知變頻器內(nèi)部的測量電路、保護電路、驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)換電路、隔離電路、CPU、柵極電路等，所用的電子器件，例TTL、COMS、運放、光耦等都由電源 target=_blank>開關(guān)電源提供所需的不同電壓值，對IGBT來講Vge是由電源 target=_blank>開關(guān)電源提供±5-15V電壓，但Vce是由主電路經(jīng)三相整流橋濾波后的DC電源（P N ）提供的，為確保IGBT的使用安全及誤導(dǎo)通，故對Vge與Vce加電壓次序有要求。必須是先加Vge且待穩(wěn)定后（截止偏壓-15V，導(dǎo)通偏壓+15V），再可加Vce。切莫當(dāng)G極懸空或未穩(wěn)定時就加Vce（幾百一千伏），因為Cgc極間的耦合電容就可將IGBT誤導(dǎo)通，以致過高的dv/dt造成電擊穿而損壞。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生一般用延時電路方法，使Vce延時Vge約0.2秒，這樣大大的提高了使用上安全性、可靠性，尤其是中、大功率的器件更應(yīng)注意的。 18 結(jié) 論 IGBT的使用綜合性能是非常優(yōu)越的，決非其它功率器件所能替代的，因此成為當(dāng)今逆變電路DC/AC中主要器件，亦是理應(yīng)所在的。它的弱點是過壓、過熱、抗沖擊、抗干擾等承受力較低，因此在使用時必須正確選擇器件的容量，要有完全嚴(yán)格的保護電路，按產(chǎn)品技術(shù)性能規(guī)定來正確選定各種參數(shù)值和保護值，是件非常重要的事，切莫粗枝大葉，否則后患無窮，造成經(jīng)濟損失。只要精心設(shè)計，規(guī)范運行，是能確保使用中安全性和可靠性，這亦是無疑的。 主要參考資料： [1] 日本三菱、富士、日立、東芝、NEC的IGBT應(yīng)用手冊。 [2] 德國西門子、西門康IGBT應(yīng)用手冊。 [3] 德國慕尼黑TYCO公司產(chǎn)品介紹。 [4] 調(diào)速用變頻器及配套設(shè)備選用指南。 [5] 實用電源技術(shù)手冊—電源元器件手冊。 [6] 變頻器世界有關(guān)器件IGBT專題文章。 [7] 變頻器世界2001年第七期張選正文章“變頻器載波頻率值正確選擇的依據(jù)”。 [8] 佳靈GY系列高壓變頻器產(chǎn)品使用手冊。 |
