功率模塊IGBT、IPM、PIM的性能及使用時(shí)有關(guān)問(wèn)題的綜述
| ，避免產(chǎn)生耦合噪聲。 H、 用光耦器來(lái)作隔離柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，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(gè)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(jiàn)圖4。 12 dv/dt及短路保護(hù) 在IGBT關(guān)斷時(shí)，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(dá)閾值電壓時(shí)，則IGBT將開(kāi)通，導(dǎo)致上下臂同時(shí)開(kāi)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(diǎn)： A、 在斷態(tài)時(shí)要加足夠的負(fù)柵極電壓值至少-5V。 B、 在關(guān)斷時(shí)Rg為較低值（可見(jiàn)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(shí)，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(cè)出短路到關(guān)斷IGBT時(shí)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(duì)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(shí)間，但將使關(guān)斷電流增大。 13 使用注意事項(xiàng) 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(shí)將G極和E極之間要有導(dǎo)電泡沫塑料，將它短接。裝配時(shí)切不可用手指直接接觸，直到G極管腳進(jìn)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(shí)應(yīng)采用接地工作臺(tái)，接地地面，接地腕帶等防靜電措施。 D、 儀器測(cè)量時(shí)，將100Ω電阻與G極串聯(lián)。 E、 要在無(wú)電源時(shí)進(jìn)行安裝。 F、 焊接G極時(shí)，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(shí)，溫度260℃±5℃，時(shí)間（10±1）秒，松香焊劑。波峰焊接時(shí)，PCB板要預(yù)熱80℃—105℃，在245℃時(shí)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(duì)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(kāi)，除靜態(tài)均流外，還有動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題，并使溫度相接近，以免影響電流的均衡分配，因IGBT是負(fù)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(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，尤其是動(dòng)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(dòng)態(tài)電壓箝位均壓方式已處于工業(yè)實(shí)驗(yàn)階段。若動(dòng)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(gè)過(guò)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(guò)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(gè)IGBT的電壓或電流基本能滿足用戶的需要，隨著時(shí)代發(fā)展電路的改進(jìn)，將會(huì)有更高電壓，更大電流的功率器件問(wèn)世，這是必然的。 15 智能IPM模塊 智能IPM模塊問(wèn)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(jìn)的混合集成功率器件，將IGBT、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路集成化，因此具有高速、高效、低耗、和優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路，欠壓鎖定，用電流傳感功能芯片，對(duì)過(guò)流和短路保護(hù)，更為優(yōu)越的，整體的可靠性大為提高。IPM有四種電路形式：?jiǎn)喂芊庋b（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(kāi)關(guān)損耗都比較低，可使散熱器減小，因而整機(jī)尺寸亦可減小，又有自保護(hù)能力，減低了在開(kāi)發(fā)和使用中過(guò)載情況下?lián)p壞的機(jī)率，國(guó)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(hù)（SC），過(guò)流保護(hù)（OC），欠壓保護(hù)（UV），過(guò)熱保護(hù)（OT），過(guò)壓保護(hù)（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(wèn)世的，專供變頻器主電路使用的綜合集成功率器件。例德國(guó)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(dòng)單元（或PFC功率因數(shù)單元）+六單元IGBT+NTC溫度監(jiān)測(cè)。但不包括驅(qū)動(dòng)電路。有的專業(yè)廠例富士等將整流、制動(dòng)、IGBT、保護(hù)、驅(qū)動(dòng)、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(diǎn)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(hù)電路，具有快速、靈敏；E、唯一不足的是當(dāng)其中有一個(gè)器件壞時(shí)，將造成整體的報(bào)損，它不同于分離方式模塊，只局限于損壞的更換就可。 17 對(duì)IGBT的Vge與Vce的加壓次序 眾所周知變頻器內(nèi)部的測(cè)量電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)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(yùn)放、光耦等都由電源 target=_blank>開(kāi)關(guān)電源提供所需的不同電壓值，對(duì)IGBT來(lái)講Vge是由電源 target=_blank>開(kāi)關(guān)電源提供±5-15V電壓，但Vce是由主電路經(jīng)三相整流橋?yàn)V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(duì)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(shí)就加Vce（幾百一千伏），因?yàn)镃gc極間的耦合電容就可將IGBT誤導(dǎo)通，以致過(guò)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(shí)電路方法，使Vce延時(shí)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(diǎn)是過(guò)壓、過(guò)熱、抗沖擊、抗干擾等承受力較低，因此在使用時(shí)必須正確選擇器件的容量，要有完全嚴(yán)格的保護(hù)電路，按產(chǎn)品技術(shù)性能規(guī)定來(lái)正確選定各種參數(shù)值和保護(hù)值，是件非常重要的事，切莫粗枝大葉，否則后患無(wú)窮，造成經(jīng)濟(jì)損失。只要精心設(shè)計(jì)，規(guī)范運(yùn)行，是能確保使用中安全性和可靠性，這亦是無(wú)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(cè)。 [2] 德國(guó)西門子、西門康IGBT應(yīng)用手冊(cè)。 [3] 德國(guó)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(shí)用電源技術(shù)手冊(cè)—電源元器件手冊(cè)。 [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(cè)。 |
