功率模块IGBT、IPM、PIM的性能及使用时有关问题的综述
| ，避免产生耦合噪声。 H、 用光耦器来作隔离栅极驱动信号，其最小共模抑制比要在10.000V/μS，栅极回路除上述外而防止栅极电路出现高压尖峰，一般在G、E极间并一个电阻Rge，再并二只反串的稳压二极管，以使工作更可靠、安全、有效。 Rge值在1000-5000欧之间，见图4。 12 dv/dt及短路保护 在IGBT关断时，栅极要加反向偏置，由于栅极的阻抗很大，该电流令Vge增加，恶劣条件下可达阈值电压时，则IGBT将开通，导致上下臂同时开通使桥臂每一相短路，为防止这现象的发生要注意以下几点： A、 在断态时要加足够的负栅极电压值至少-5V。 B、 在关断时Rg为较低值（可见表4）。 C、 栅极电路的电感Lg应降至最低。 当短路情况出现时，IGBT要继续维持在短路安全工作区内，其方法有： A、电流传感器 B、欠饱和式但必须能测出短路到关断IGBT时间在10μs之内，常用有三种方法： A、 控制关断—减少栅极电压（有分段或斜坡减少）增加沟道内阻。 B、 Vge箝位—Vge在18V以下，对小功率器件，可在G极与E极之间用齐纳二极管箝位。 C、 减少tw—缩短短路持续时间，但将使关断电流增大。 13 使用注意事项 A、 栅极与任何导电区要绝缘，以免产生静电而击穿，所以包装时将G极和E极之间要有导电泡沫塑料，将它短接。装配时切不可用手指直接接触，直到G极管脚进行永久性连接。 B、 主电路用螺丝拧紧，控制极G要用插件，尽可能不用焊接方式。 C、 装卸时应采用接地工作台，接地地面，接地腕带等防静电措施。 D、 仪器测量时，将100Ω电阻与G极串联。 E、 要在无电源时进行安装。 F、 焊接G极时，电烙铁要停电并接地，选用定温电烙铁最合适。当手工焊接时，温度260℃±5℃，时间（10±1）秒，松香焊剂。波峰焊接时，PCB板要预热80℃—105℃，在245℃时浸入焊接3-4秒，松香焊剂。 14 IGBT的串并联 A、 并联目的是增大使用的工作电流，但器件要匹配，每块Vce之差 < 0.3V，还要降流使用，对600V的降10%Ic，1200-1400V的降15%Ic，1700V的降20%Ic，这组值指≥200A的模块，并要取饱和压降相等或接近的模块才行。栅控电路要分开，除静态均流外，还有动态均流问题，并使温度相接近，以免影响电流的均衡分配，因IGBT是负阻特性的器件。 B、 串联的目的是增高使用的工作电压，其要求比并联更高，主要是静态均压及动态均压问题，尤其是动态均压有一定难度。成都佳灵公司提出的容性母板技术（1+N）只串联动态电压箝位均压方式已处于工业实验阶段。若动态均压不佳，要造成串联臂各器件上的Vce电压不等，造成一个过压影响同一臂一串电击穿。 C、 总之IGBT的串并联应尽量避免，不要以低压小电流器件，通过串并联企图解决高电压大电流，这样做法往往失得其反，而器件增多可靠性更差，电路亦复杂化等，在不得而已的条件下，要慎重。目今单个IGBT的电压或电流基本能满足用户的需要，随着时代发展电路的改进，将会有更高电压，更大电流的功率器件问世，这是必然的。 15 智能IPM模块 智能IPM模块问世已有十年之久，目今有110KW的模块，可供变频器选用。它是先进的混合集成功率器件，将IGBT、驱动电路、保护电路集成化，因此具有高速、高效、低耗、和优化门极驱动及保护电路，欠压锁定，用电流传感功能芯片，对过流和短路保护，更为优越的，整体的可靠性大为提高。IPM有四种电路形式：单管封装（H），双管封装（D），六合一封装（C），七合一封装（R）。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，减低了在开发和使用中过载情况下损坏的机率，国内外55KW以下的变频器多数采用IPM模块，亦是理所当然的。结温还是125℃，栅控13.5-16.5V之间，就可安全地工作。IPM有：短路保护（SC），过流保护（OC），欠压保护（UV），过热保护（OT），过压保护（OV）等较完全的。有表3可供选用参考。 16 变频专用功率集成模块PIM 最近5年内问世的，专供变频器主电路使用的综合集成功率器件。例德国慕尼黑TYCO公司生产的2.5-66A 1200V系列，4-75A 600V系列，它包含了单相/三相输入整流桥+制动单元（或PFC功率因数单元）+六单元IGBT+NTC温度监测。但不包括驱动电路。有的专业厂例富士等将整流、制动、IGBT、保护、驱动、控制全部一体化集成模块，那样使用更方便、安全、可靠。其特点是： A、集成全部器件及电路；B、体积小，功率大，损耗低，较稳定；C、优化内部布线，减少寄生噪音；D有完全的自保护电路，具有快速、灵敏；E、唯一不足的是当其中有一个器件坏时，将造成整体的报损，它不同于分离方式模块，只局限于损坏的更换就可。 17 对IGBT的Vge与Vce的加压次序 众所周知变频器内部的测量电路、保护电路、驱动电路、转换电路、隔离电路、CPU、栅极电路等，所用的电子器件，例TTL、COMS、运放、光耦等都由电源 target=_blank>开关电源提供所需的不同电压值，对IGBT来讲Vge是由电源 target=_blank>开关电源提供±5-15V电压，但Vce是由主电路经三相整流桥滤波后的DC电源（P N ）提供的，为确保IGBT的使用安全及误导通，故对Vge与Vce加电压次序有要求。必须是先加Vge且待稳定后（截止偏压-15V，导通偏压+15V），再可加Vce。切莫当G极悬空或未稳定时就加Vce（几百一千伏），因为Cgc极间的耦合电容就可将IGBT误导通，以致过高的dv/dt造成电击穿而损坏。为避免上述现象的发生一般用延时电路方法，使Vce延时Vge约0.2秒，这样大大的提高了使用上安全性、可靠性，尤其是中、大功率的器件更应注意的。 18 结 论 IGBT的使用综合性能是非常优越的，决非其它功率器件所能替代的，因此成为当今逆变电路DC/AC中主要器件，亦是理应所在的。它的弱点是过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较低，因此在使用时必须正确选择器件的容量，要有完全严格的保护电路，按产品技术性能规定来正确选定各种参数值和保护值，是件非常重要的事，切莫粗枝大叶，否则后患无穷，造成经济损失。只要精心设计，规范运行，是能确保使用中安全性和可靠性，这亦是无疑的。 主要参考资料： [1] 日本三菱、富士、日立、东芝、NEC的IGBT应用手册。 [2] 德国西门子、西门康IGBT应用手册。 [3] 德国慕尼黑TYCO公司产品介绍。 [4] 调速用变频器及配套设备选用指南。 [5] 实用电源技术手册—电源元器件手册。 [6] 变频器世界有关器件IGBT专题文章。 [7] 变频器世界2001年第七期张选正文章“变频器载波频率值正确选择的依据”。 [8] 佳灵GY系列高压变频器产品使用手册。 |
