IGBT应用中常见问题及解决方法

4.1 选用有效的过流保护驱动电路　　

在igbt的应用中，关键是过流保护。igbt能承受的过流时间仅为几微秒，这与scr、gtr（几十微秒）等器件相比要小得多，因而对过流保护的要求就更高了。igbt的过电流保护可分为两种类型，一种是低倍数（1.2~1.5倍）的过载电流保护;　　

另一种是高倍数（8~10倍）的短路电流保护。对于过载保护可采用瞬时封锁门极脉冲的方法来实现保护。对于短路电流保护，加瞬时封锁门极脉冲会因短路电流下降的di/dt太大，极易在回路杂散电感上感应出很高的集电极电压过冲击穿igbt，使保护失效。　　

因此对igbt而言，可靠的短路电流保护应具备下列特点：　　

（1） 首先应软降栅压，以限制短路电流峰值，延长允许短路时间，为保护动作赢得时间;　　

（2） 保护切断短路电流应实施软关断　　

igbt驱动器exb841、m57962和hl402b均能满足以上要求。但这些驱动器不能彻底封锁脉冲，如不采取措施在故障不消失情况下会造成每周期软关断保护一次的情况，这样产生的热积累仍会造成igbt的损坏。为此可利用驱动器的故障检测输出端通过光电耦合器来彻底封锁门极脉冲，或将工作频率降低至1hz以下，在故障消失时自动恢复至正常工作频率。　　

如图6所示，igbt的驱动模块m57962l上自带保护功能，检测电路检测到检测输入端1脚为15v高电平时，判定为电流故障，立即启动门关断电路，将输出端5脚置低电平，使igbt截止，同时输出误差信号使故障输出端8脚为低电平，以驱动外接保护电路工作，延时8~10μs封锁驱动信号，这样能很好地实现过流保护。经1~2ms延时后，如果检测出输入端为高电平，则m57962l复位至初始状态。

4.2 采用无感线路　　

由前面的分析可知，相对于同样的di/dt，如果减小杂散电感lб的数值，同样可以缓减关断过程的dvce/dt。对于功率较大的igbt装置，线路寄生电感较大，可用两条宽而薄的母排，中间夹一层绝缘材料，相互紧叠在一起，构成低感母线，也有专门的生产厂家为装置配套制作无感母线。无感母线降低电压过冲的意义不仅为了避免过流或短路，还在于减轻吸收电路的负担，简化吸收电路结构，减少吸收电阻功耗，减少逆变器的体积。这也是很令人关注的问题。　　

4.3 积极散热　　

igbt在开通过程中，大部分时间是作为mosfet来运行的，只是在集射电压vce下降过程后期，pnp晶体管由放大区至饱和区，增加了一段延缓时间，使vce波形被分为两段。igbt在关断过程中，mosfet关断后，pnp晶体管中的存储电荷难以迅速消除，使集电极电流波形变为两段，造成集电极电流较大的拖尾时间。显然，开通关断时间的延迟会增加开关损耗，并且，每开通关断一次损耗就会累加，如果开关频率很高，损耗就会很大，除了降低逆变器的效率以外，损耗造成的最直接的影响就是温度升高，这不仅会加重igbt发生擎住效应的危险，而且，会延长集电极电流的下降时间和集射电压的上升时间，引起关断损耗的增加。显然，这是一个恶性循环，因此，为igbt提供良好的散热条件是有效利用器件，减少损耗的主要措施。除了正确安装散热器外，安装风扇以增强空气流通，可以有效的提高散热效率。　　

4.4 软开关技术的应用　　

软开关技术是在电路中增加了小电感、电容等谐振元件， 在开关过程前后引入谐振， 使开关条件得以改善， 从而抑制开关过程的电压、电流过冲，提高开关可靠性。目前， 适用于dc/dc和dc/ac变换器的软开关技术有如下几种：

（1） 谐振型变换器　　

谐振型变换器是负载r与lc电路组成的负载谐振型变换器，其谐振元件在整个开关周期中一直工作，这种变换器的工作状态与负载的关系很大，对负载的变化很敏感。　　

（2） 准谐振型变换器qrcs　　

如图7所示（a）（b）分别为零电压准谐振电路和零电流准谐振电路，这类变换器的谐振元件只参与能量变换的某一阶段而不是全过程，一般采用脉冲频率调制法调控输出电压和输出功率。

（3） 谐振型直流环节逆变器rdcli

在逆变器直流母线与直流输入端之间加入一个辅助lc谐振回路，如图8所示，工作时启动lc电路不断地谐振，使并联在直流母线上的电容电压vc周期性地变为零，从而为后面的逆变桥的开关器件创造零电压开关条件。该电路中电压vc的谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。　　

（4） 零开关pwm变换器　　

这类变换器是在qrcs基础上加入一个辅助开关管来控制谐振元件的谐振过程，仅在需要开关状态转变时才启动谐振电路，为开通或关断制造零电压或零电流条件。如图9所示（a）为零电压pwm开关电路，（b）为零电流pwm开关电路，变换器可按恒定频率的pwm方式运行，但是由于谐振电感是与主开关管串联，lr除承受谐振电流外还要提供负载电流，这样电源供给负载的全部能量都要经过谐振电感lr，使得电路中存在很大的环流能量，增大电路的导通损耗;　　

此外，lr的储能极大的依赖输入电压和负载电流，电路很难在很宽的输入电压变化范围和负载电流大范围变化时满足零电压、零电流开关条件。

（5） 零转换pwm变换器　　

如果将谐振电感lr及其辅助开关电路改为与主开关并联，主开关通态时，lr中不流过负载电流，仅在“开通”与“关断”时启动辅助开关电路形成主开关管的零电压或零电流条件， 改变主开关通、断状态，开通或关断电路。这时辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流压力，逆变器可以在很宽的输入电压范围和负载电路范围内工作在软开关状态，且电路中的无功交换被削减到最小。这种pwm变换器称为零转换pwm变换器，如图10所示：（a）为零电压转换pwm开关电路，（b）为零电流转换pwm开关电路。电路简单，效率高是他们的主要特点。

软开关技术需要附加额外的开关元件、辅助电源、检测手段、控制策略等，辅助开关驱动电路要与主开关驱动电路隔离，且对辅助电路提出了更快的开关时间要求。电路与控制的复杂化带来了成本的提高与可靠性的降低，故许多软开关技术的推广应用受到很大的限制。如果软开关技术采用新的驱动技术，可使用与主开关驱动信号有简单逻辑关系的信号控制辅助开关，甚至由电路进行自驱动，那么控制、检测、驱动等附加电路可全部去掉，这将是软开关技术发展的方向之一。

4.5 吸收电路　　

吸收电路，又称缓冲电路。它利用无源器件通过参数匹配使主开关管工作于零电压或零电流状态，达到抑制电力电子器件的关断时过电压、开通时过电流，减小器件的开关损耗的目的。吸收电路一般分为两类：　　

（1） 吸收电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，称其为耗能式吸收电路;　　

（2） 若吸收电路能够将其储能元件的能量回馈给负载或电源，称其为能量回馈型吸收电路，或称为无损吸收电路。　　

传统的耗能式吸收电路把能量通过电阻泄放，主管开关损耗的降低以额外吸收损耗的增加为代价，而无损吸收技术能够将储能元件中的能量回馈至电源、负载或大幅削减其数值，大大增加吸收强度，达到软开关目的。

实现桥臂无损吸收见诸文献的大约有如图11所示几种。图11（a）（e）电路从理论上实现了逆变器桥臂的无源无损吸收，但用作能量回馈的变压器，其副边的二极管耐压值过高是该电路的致命弱点;　　

图11（c）（d