IGBT 应用常见问题及解决方法

80年代问世的绝缘栅双极性晶体管IGBT是一种新型的电力电子器件，它综合了GTR和MOSFET的优点，控制方便、开关速度快、工作频率高、安全工作区大。随着电压、电流等级的不断提高，IGBT成为了大功率开关电源、变频调速和有源滤波器等装置的理想功率开关器件，在电力电子装置中得到非常广泛的应用。

随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展，开关器件在应用中潜在的问题越来越突出，开关过程引起的电压、电流过冲，影响到了逆变器的工作效率和工作可靠性。为解决以上问题，过电流保护、散热及减少线路电感等措施被积极采用，缓冲电路和软开关技术也得到了广泛的研究，取得了迅速的进展。本文对这方面进行了综述。

IGBT的应用领域

IGBT在变频调速器中的应用

SPWM变频调速系统的原理框图如图1所示。主回路为以IGBT为开关元件的电压源型SPWM逆变器的标准拓扑电路，电容由一个整流电路进行充电，控制回路产生的SPWM信号经驱动电路对逆变器的输出波形进行控制;变频器向异步电动机输出相应频率、幅值和相序的三相交流电压，使之按一定的转速和旋转方向运转。

IGBT在开关电源中的应用

图2为典型的UPS系统框图。它的基本结构是一套将交流电变为直流电的整流器和充电器以及把直流电再变为交流电的逆变器。蓄电池在交流电正常供电时贮存能量且维持正常的充电电压，处于“浮充”状态。一旦供电超出正常的范围或中断时，蓄电池立即对逆变器供电，以保证UPS电源输出交流电压。

UPS逆变电源中的主要控制对象是逆变器，所使用的控制方法中用得最为广泛的是正弦脉宽调制(SPWM)法。

IGBT在有源滤波器中的应用

并联型有源滤波系统的原理图如图3所示。主电路是以IGBT为开关元件的逆变器，它向系统注入反向的谐波值，理论上可以完全滤除系统中存在的谐波。与变频调速器不同的是，有源滤波器pwm控制信号的调制波是需要补偿的各次谐波的合成波形，为了能精确的反映出调制波的各次谐波成分，必须大大提高载波的频率。这对开关器件的开关频率也提出了更高的要求。

IGBT应用中的常见问题分析

显然，IGBT是作为逆变器的开关元件应用到各个系统中的，常用的控制方法是pwm法。理论上和事实上都已经证明，如果把pwm逆变器的开关频率提高到20khz以上，逆变器的噪声会更小，体积会更小，重量会更轻，输出电压波形会更加正弦化，可见，高频化是逆变技术发展方向。但是通常的pwm逆变器中，开关器件在高电压下导通，在大电流下关断，处于强迫开关过程，在高开关频率下运行时将受到如下一系列因素的限制：

(1) 产生擎住效应或动态擎住效应

IGBT为四层结构，使体内存在一个寄生晶闸管，等效电路如图4所示。在npn管的基极与发射极之间存在一个体区短路电rs,p型体区的横向空穴流会产生一定的压降，对j3来说相当于一个正偏置电压。在规定的范围内，这个正偏置电压不大，npn管不会导通。当ic大于一定程度时，该正偏置电压足以使 npn管开通，进而使npn和pnp管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，栅极失去控制作用，即擎住效应，它使ic增大，造成过高的功耗，甚至导致器件损坏。温度升高会使得IGBT发生擎住的icm严重下降。

在IGBT关断的动态过程中，如果dvce/dt越高，则在j2结中引起的位移电流cj2dvce/dt越大，当该电流流过体区短路电阻rs时，可产生足以使npn晶体管开通的正向偏置电压，满足寄生晶闸管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。温度升高会加重IGBT发生动态擎住效应的危险。

(2)过高的di/dt会通过IGBT和缓冲电路之间的线路电感引起开关时的电压过冲

以线路电感lб≠0时电路进行分析，如图5所示，关断过程中，感性负载电流iб保持不变，即iб=it+id保持不变，it从零增大到iб。由于二极管d导通，voe=0,由于it随时间线性减小，电感lб两端感应电压vl=vbc=lбdit/dt应为负值，

因此，在关断过程一开始，vt立即从零上升到vcem,it在从i0下降至零期间，vt=vcem不变。直到it=0、id=i0以后，vt才下降为电源电压vd,如图5(b)所示。vcem超过vd的数值取决于lб、tfi和负载电流i0,显然过快的电流下降率di/dt(即tfi小)、过大的杂散电感lб或负载电流过大都会引起关断时元件严重过电压，且伴随着很大的功耗。

可见，尽管IGBT的快速开通和关断有利于缩短开关时间和减小开关损耗，但过快的开通和关断，在大电感负载下，反而是有害的，开通时，存在续流二极管反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，则开通越快，IGBT承受的峰值电流也就越大，甚至急剧上升，导致IGBT或者续流二极管损坏。关断时，大电感负载随IGBT的超速开通和关断，将在电