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IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

IGBT模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品;封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS不间断电源等设备上;

IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点;当前市场上销售的多为此类模块化产品,一般所说的IGBT也指IGBT模块;随着节能环保等理念的推进,此类产品在市场上将越来越多见;

IGBT是能源变换与传输的核心器件,俗称电力电子装置的“CPU”,作为国家战略性新兴产业,在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。 [1]

左边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+区称为源区,附于其上的电极称为源极(即发射极E)。N基极称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区(Subchannel region)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector),它是IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流,使IGBT导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极N-沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后,从P+基极注入到N-层的空穴(少子),对N-层进行电导调制,减小N-层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。 [2]

IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制,Ugs 越高, Id 越大。它与GTR 的输出特性相似.也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ,正向电压由J2 结承担,反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT 的某些应用范围。

IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内, Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右。

动态特性又称开关特性,IGBT的开关特性分为两大部分:一是开关速度,主要指标是开关过程中各部分时间;另一个是开关过程中的损耗。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时,由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时,通态电压Uds(on) 可用下式表示::

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中Uj1 JI 结的正向电压,其值为0.7 ~1V ;Udr 扩展电阻Rdr 上的压降;Roh 沟道电阻。

通态电流Ids 可用下式表示:

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos 流过MOSFET 的电流。

由于N+ 区存在电导调制效应,所以IGBT 的通态压降小,耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ~ 3V 。IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。

IGBT 在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET 来运行的,只是在漏源电压Uds 下降过程后期, PNP 晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间,tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和,漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压,栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时,必须基于以下的参数来进行:器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大,故可使用MOSFET驱动技术进行触发,不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大,故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后,PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟时间,trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中:td(off)与trv之和又称为存储时间。

IGBT的开关速度低于MOSFET,但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间,但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3~4V,和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近,饱和压降随栅极电压的增加而降低。

正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限,远远不能满足电力电子应用技术发展的需求;高压领域的许多应用中,要求器件的电压等级达到10KV以上,目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件,德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用,日本东芝也已涉足该领域。与此同时,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。2013年9月12日 我国自主研发的高压大功率3300V/50A IGBT(绝缘栅双极型晶体管)芯片及由此芯片封装的大功率1200A/3300V IGBT模块通过专家鉴定,中国自此有了完全自主的IGBT“中国芯”。

IGBT是将强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道,而这个通道却具有很高的电阻率,因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征,IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性,但是在高电平时,功率导通损耗仍然要比IGBT 技术高出很多。较低的压降,转换成一个低VCE(sat)的能力,以及IGBT的结构,同一个标准双极器件相比,可支持更高电流密度,并简化IGBT驱动器的原理图。

IGBT硅片的结构与功率MOSFET 的结构十分相似,主要差异是IGBT增加了P+ 基片和一个N+ 缓冲层(NPT-非穿通-IGBT技术没有增加这个部分)。如等效电路图所示(图1),其中一个MOSFET驱动两个双极器件。基片的应用在管体的P+和 N+ 区之间创建了一个J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演P基区时,一个N沟道形成,同时出现一个电子流,并完全按照功率 MOSFET的方式产生一股电流。如果这个电子流产生的电压在0.7V范围内,那么,J1将处于正向偏压,一些空穴注入N-区内,并调整阴阳极之间的电阻率,这种方式降低了功率导通的总损耗,并启动了第二个电荷流。最后的结果是,在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑:一个电子流(MOSFET 电流); 一个空穴电流(双极)。

当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时,沟道被禁止,没有空穴注入N-区内。在任何情况下,如果MOSFET电流在开关阶段迅速下降,集电极电流则逐渐降低,这是因为换向开始后,在N层内还存在少数的载流子(少子)。这种残余电流值(尾流)的降低,完全取决于关断时电荷的密度,而密度又与几种因素有关,如掺杂质的数量和拓扑,层次厚度和温度。少子的衰减使集电极电流具有特征尾流波形,集电极电流引起以下问题:功耗升高;交叉导通问题,特别是在使用续流二极管的设备上,问题更加明显。

鉴于尾流与少子的重组有关,尾流的电流值应与芯片的温度、IC 和VCE密切相关的空穴移动性有密切的关系。因此,根据所达到的温度,降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是可行的。

当集电极被施加一个反向电压时, J1 就会受到反向偏压控制,耗尽层则会向N-区扩展。因过多地降低这个层面的厚度,将无法取得一个有效的阻断能力,所以,这个机制十分重要。另一方面,如果过大地增加这个区域尺寸,就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了NPT器件的压降比等效(IC 和速度相同) PT 器件的压降高的原因。

当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时,P/N J3结受反向电压控制,此时,仍然是由N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。

IGBT在集电极与发射极之间有一个寄生PNPN晶闸管(如图1所示)。在特殊条件下,这种寄生器件会导通。这种现象会使集电极与发射极之间的电流量增加,对等效MOSFET的控制能力降低,通常还会引起器件击穿问题。晶闸管导通现象被称为IGBT闩锁,具体地说,这种缺陷的原因互不相同,与器件的状态有密切关系。通常情况下,静态和动态闩锁有如下主要区别:

当晶闸管全部导通时,静态闩锁出现,只在关断时才会出现动态闩锁。这一特殊现象严重地限制了安全操作区。为防止寄生NPN和PNP晶体管的有害现象,有必要采取以下措施:防止NPN部分接通,分别改变布局和掺杂级别,降低NPN和PNP晶体管的总电流增益。此外,闩锁电流对PNP和NPN器件的电流增益有一定的影响,因此,它与结温的关系也非常密切;在结温和增益提高的情况下,P基区的电阻率会升高,破坏了整体特性。因此,器件制造商必须注意将集电极最大电流值与闩锁电流之间保持一定的比例,通常比例为1:5。

1979年,MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构(P-N-P-N四层组成),其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。

80年代初期,用于功率MOSFET制造技术的DMOS(双扩散形成的金属-氧化物-半导体)工艺被采用到IGBT中来。[2]在那个时候,硅芯片的结构是一种较厚的NPT(非穿通)型设计。后来,通过采用PT(穿通)型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进,这是随着硅片上外延的技术进步,以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的[3]。几年当中,这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构,其设计规则从5微米先进到3微米。

90年代中期,沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT,它是采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺,但仍然是穿通(PT)型芯片结构。[4]在这种沟槽结构中,实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。

硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变,先是采用非穿通(NPT)结构,继而变化成弱穿通(LPT)结构,这就使安全工作区(SOA)得到同表面栅结构演变类似的改善。

这次从穿通(PT)型技术先进到非穿通(NPT)型技术,是最基本的,也是很重大的概念变化。这就是:穿通(PT)技术会有比较高的载流子注入系数,而由于它要求对少数载流子寿命进行控制致使其输运效率变坏。另一方面,非穿通(NPT)技术则是基于不对少子寿命进行杀伤而有很好的输运效率,不过其载流子注入系数却比较低。进而言之,非穿通(NPT)技术又被软穿通(LPT)技术所代替,它类似于某些人所谓的“软穿通”(SPT)或“电场截止”(FS)型技术,这使得“成本性能”的综合效果得到进一步改善。

1996年,CSTBT(载流子储存的沟槽栅双极晶体管)使第5代IGBT模块得以实现[6],它采用了弱穿通(LPT)芯片结构,又采用了更先进的宽元胞间距的设计。目前,包括一种“反向阻断型”(逆阻型)功能或一种“反向导通型”(逆导型)功能的IGBT器件的新概念正在进行研究,以求得进一步优化。

IGBT功率模块采用IC驱动,各种驱动保护电路,高性能IGBT芯片,新型封装技术,从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展,其产品水平为12001800A/18003300V,IPM除用于变频调速外,600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB,用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB,大大降低电路接线电感,提高系统效率,现已开发成功第二代IPEM,其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热点。

现在,大电流高电压的IGBT已模块化,它的驱动电路除上面介绍的由分立元件构成之外,现在已制造出集成化的IGBT专用驱动电路.其性能更好,整机的可靠性更高及体积更小。

IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为新型电力半导体场控自关断器件,集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体,具有输进阻抗高,电压控制功耗低,控制电路简单,耐高压,承受电流大等特性,在各种电力变换中获得极广泛的应用。与此同时,各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低本钱技术,主要采用1um以下制作工艺,研制开发取得一些新进展。 [3]

1、低功率IGBT

IGBT应用范围一般都在600V、1KA、1KHz以上区域,为满足家电行业的发展需求,摩托罗拉、ST半导体、三菱等公司推出低功率IGBT产品,实用于家电行业的微波炉、洗衣机、电磁灶、电子整流器、照相机等产品的应用。

2、U-IGBT

U(沟槽结构)--IGBT是在管芯上刻槽,芯片元胞内部形成沟槽式栅极。采用沟道结构后,可进一步缩小元胞尺寸,减少沟道电阻,进步电流密度,制造相同额定电流而芯片尺寸最少的产品。现有多家公司生产各种UIGBT产品,适用低电压驱动、表面贴装的要求。

3、NPT-IGBT

NPT(非穿通型)--IGBT采用薄硅片技术,以离子注进发射区代替高复杂、高本钱的厚层高阻外延,可降低生产本钱25%左右,耐压越高本钱差越大,在性能上更具有特色,高速、低损耗、正温度系数,无锁定效应,在设计6001200V的IGBT时,NPTIGBT可靠性最高。西门子公司可提供600V、1200V、1700V系列产品和6500V高压IGBT,并推出低饱和压降DLC型NPTIGBT,依克赛斯、哈里斯、英特西尔、东芝等公司也相继研制出NPTIGBT及其模块系列,富士电机、摩托罗拉等在研制之中,NPT型正成为IGBT发展方向。

4、SDB--IGBT

鉴于目前厂家对IGBT的开发非常重视,三星、快捷等公司采用SDB(硅片直接键合)技术,在IC生产线上制作第四代高速IGBT及模块系列产品,特点为高速,低饱和压降,低拖尾电流,正温度系数易于并联,在600V和1200V电压范围性能优良,分为UF、RUF两大系统。

5、超快速IGBT

国际整流器IR公司的研发重点在于减少IGBT的拖尾效应,使其能快速关断,研制的超快速IGBT可最大限度地减少拖尾效应,关断时间不超过2000ns,采用特殊高能照射分层技术,关断时间可在100ns以下,拖尾更短,重点产品专为电机控制而设计,现有6种型号,另可用在大功率电源变换器中。

6、IGBT/FRD

IR公司在IGBT基础上推出两款结合FRD(快速恢复二极管)的新型器件,IGBT/FRD有效结合,将转换状态的损耗减少20%,采用TO247外型封装,额定规格为1200V、25、50、75、100A,用于电机驱动和功率转换,以IGBT及FRD为基础的新技术便于器件并联,在多芯片模块中实现更均匀的温度,进步整体可靠性。

7、IGBT功率模块

IGBT功率模块采用IC驱动,各种驱动保护电路,高性能IGBT芯片,新型封装技术,从复合功率模块PIM发展到智能功率模块IPM、电力电子积木PEBB、电力模块IPEM。PIM向高压大电流发展,其产品水平为12001800A/18003300V,IPM除用于变频调速外,600A/2000V的IPM已用于电力机车VVVF逆变器。平面低电感封装技术是大电流IGBT模块为有源器件的PEBB,用于舰艇上的导弹发射装置。IPEM采用共烧瓷片多芯片模块技术组装PEBB,大大降低电路接线电感,进步系统效率,现已开发成功第二代IPEM,其中所有的无源元件以埋层方式掩埋在衬底中。智能化、模块化成为IGBT发展热门。

输出特性与转移特性:

IGBT的伏安特性是指以栅极电压VGE为参变量时,集电极电流IC与集电极电压VCE之间的关系曲线。IGBT的伏安特性与BJT的输出特性相似,也可分为饱和区I、放大区II和击穿区III三部分。IGBT作为开关器件稳态时主要工作在饱和导通区。IGBT的转移特性是指集电极输出电流IC与栅极电压之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同,当栅极电压VGE小于开启电压VGE(th)时,IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内,IC与VGE呈线性关系。

IGBT与MOSFET的对比:

MOSFET全称功率场效应晶体管。它的三个极分别是源极(S)、漏极(D)和栅极(G)。

主要优点:热稳定性好、安全工作区大。

缺点:击穿电压低,工作电流小。

IGBT全称绝缘栅双极晶体管,是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物。它的三个极分别是集电极(C)、发射极(E)和栅极(G)。

特点:击穿电压可达1200V,集电极最大饱和电流已超过1500A。由IGBT作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上,工作频率可达20kHz。

首先将万用表拨在R×1KΩ挡,用万用表测量时,若某一极与其它两极阻值为无穷大,调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大,则判断此极为栅极(G )其余两极再用万用表测量,若测得阻值为无穷大,调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中,则判断红表笔接的为集电极(C);黑表笔接的为发射极(E)。

将万用表拨在R×10KΩ挡,用黑表笔接IGBT 的集电极(C),红表笔接IGBT 的发射极(E),此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极(G)和集电极(C),这时IGBT 被触发导通,万用表的指针摆向阻值较小的方向,并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极(G)和发射极(E),这时IGBT 被阻断,万用表的指针回零。此时即可判断IGBT 是好的。

任何指针式万用表皆可用于检测IGBT。注意判断IGBT 好坏时,一定要将万用 表拨在R×10KΩ挡,因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT 导通,而无法判断IGBT 的好坏。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管(P-MOSFET)的好坏。

IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写,IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管,它融合了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET导通,这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V,则MOS 截止,切断PNP晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极发射极间施加十几V的直流电压,只有在uA级的漏电流流过,基本上不消耗功率。

IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时,所产生的额定损耗亦变大。同时,开关损耗增大,使原件发热加剧,因此,选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时,由于开关损耗增大,发热加剧,选用时应该降等使用。

由于IGBT模块为MOSFET结构,IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄,其击穿电压一般达到20~30V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点:

在使用模块时,尽量不要用手触摸驱动端子部分,当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后,再触摸; 在用导电材料连接模块驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块; 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

此外,在栅极发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使IGBT发热及至损坏。

在使用IGBT的场合,当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止此类故障,应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。

在安装或更换IGBT模块时,应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻,最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇,当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热,而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查,一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器,当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。

一般保存IGBT模块的场所,应保持常温常湿状态,不应偏离太大。常温的规定为5~35℃ ,常湿的规定在45~75%左右。在冬天特别干燥的地区,需用加湿机加湿; 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合; 在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象,因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方; 保管时,须注意不要在IGBT模块上堆放重物; 装IGBT模块的容器,应选用不带静电的容器。

IGBT模块由于具有多种优良的特性,使它得到了快速的发展和普及,已应用到电力电子的各方各面。因此熟悉IGBT模块性能,了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。 [3]

逆变器与电动机构成的调速传动系统进入实用化阶段已经有近 20 年的历史。调速系统中的核心“变频器”是一个复杂的电子系统,易受到电磁环境的影响而发生损坏。工业系统运行过程中,生产工艺的连续性不允许系统停机,否则将意味着巨大的经济损失。特别是在一些特殊的应用场合,如自动化和宇宙空间系统、核能和危险的化学工厂中,更不允许逆变器因故障停机。由于系统可自动维护性、生存能力等指标的要求明显提高,近年来对具有容错能力的控制系统的研究得到了更多的关注。高故障容限控制系统应迅速地进行故障分析, 故障后主动重构系统的软硬件结构, 实行冗余、容错等控制策略,确保整个系统在不损失性能指标或部分性能指标降低的情况下安全运行,规避异常停机所造成的巨大经济损失,满足某些特殊行业的需求。实现高故障容限控制系统的前提条件是准确的故障诊断,只有准确定位故障,才能据此进行容错控制,应对逆变器中 IGBT 的开路故障诊断展开研究 [4]

严格地说,在变频器电机构成的控制系统中任何一个功能单元、任何一个元器件发生故障都是可能的,但变频器部分发生故障的几率要远远高于电机。而在变频器中,逆变桥 IGBT 的开路和短路故障又占了相当大的比重。所以针对上述故障的诊方法是高故障容限变频器研究的热点问题。IGBT的短路故障已有成熟的方案,即通过硬件电路检测IGBT 的 D-S 压降,可以准确判别故障管。 IGBT 开路故障也时有发生,一方面是由于过流烧毁,导致开路,另一方面是由于接线不良、驱动断线等原因导致的驱动信号开路。相对于短路故障而言,开路故障发生后往往电机还能够继续运行,所以不易被发现,但其危害较大,因为在此情况下其余 IGBT将流过更大的电流,易发生过流故障;且电机电流中存在直流电流分量,会引起转矩减小、发热、绝缘损坏等问题,如不及时处理开路故障,会引发更大的事故。检测出某 IGBT 开路后,才可以采用桥臂冗余、四开关等方式继续安全容错运行。归纳国内外学者在 IGBT 开路故障诊断方法上所展开的研究,主要有专家系统法、电流检测法和电压检测法三种。专家系统法基于经验积累,将可能发生的故障一一列出,归纳出规律并建立知识库,当发生故障的时候只需要观测故障现象,查询知识库即可判断故障类型,难点在于难以穷尽所有的故障现象并得到完备的故障知识库,而有些故障模态往往与变频器正常运行时的某种状态时非常相似,造成了难以准确匹配故障。电压检测法通过考察变频器故障时电机相电压、电机线电压或电机中性点电压与正常时的偏差来诊断故障。只需要四分之一基波周期便能检测出故障,大大缩短了诊断时间, 只是这种方法需要增加电压传感器, 通用性差 [4]

电流检测法最为常用,其又派生出平均电流 Park矢量法、单电流传感器法和电流斜率法等,平均电流 Park 矢量法以 Coimbra 大学的 J.A.ACaseiro 教授发表的几篇文章为代表。该方法在α β 坐标系下进行,通过 3-2 变换得到 I α 和 I β ,在一个电流周期内求其平均值,根据平均值求得平均电流 Park 矢量。 故障出现时 Park 矢量将不为零,通过判断其幅值和相位确定哪只 IGBT 出现故障。平均电流 Park 矢量法的缺点在于其对负载敏感, 负载不同情况下, Park 矢量电流大小不同,会造成评价故障的标准不统一。电流矢量斜率法根据故障前后定子电流矢量轨迹斜率的不同来诊断故障,缺点在于该方法极易受到干扰而导致误判 [4]

针对变频器逆变桥 IGBT 开路的故障诊断,对平均电流 Park 矢量法、三相平均电流法以及提出的基于傅里叶变换的归一化方法做了对比验证,得到如下结论:

1)平均电流 Park 矢量法和三相平均电流法在稳态情况下可以准确地检测 IGBT 开路故障,定位故障管,但在突加、突减负载时会出现误诊断 [4]

2)利用离散傅里叶变换得到定子电流的直流分量和基波幅值,然后根据基波幅值大小将直流分量归一化,依据归一化后的直流分量大小定位开路故障的 IGBT,可解决传统方法在突加、突减负载时会出现误诊断的问题 [4]

3)变频器 IGBT 开路故障诊断提供了有效方法,其可做为容错控制的基础,后续工作可以围绕故障后的容错控制展开 [4]

众所周知,IGBT是一种用MOS来控制晶体管的新型电力电子器件,具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点,被广泛应用在变频器的逆变电路中。但由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差,一旦出现意外就会使它损坏。为此,必须对IGBT进行相关保护。一般我们从过流、过压、过热三方面进行IGBT保护电路设计。

IGBT承受过电流的时间仅为几微秒,耐过流量小,因此使用IGBT首要注意的是过流保护。那么该如何根据IGBT的驱动要求设计过流保护呢?

IGBT的过流保护可分为两种情况:(1)驱动电路中无保护功能;(2)驱动电路中设有保护功能。对于第一种情况,我们可以在主电路中要设置过流检测器件;针对第二种情况,由于不同型号的混合驱动模块,其输出能力、开关速度与du/dt的承受能力不同,使用时要根据实际情况恰当选用。对于大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流保护则可以通过封锁驱动信号或者减小栅压来进行保护。

过压保护则可以从以下几个方面进行:

●尽可能减少电路中的杂散电感。

●采用吸收回路。吸收回路的作用是;当IGBT关断时,吸收电感中释放的能量,以降低关断过电压。

●适当增大栅极电阻Rg。

IGBT的过热保护一般是采用散热器(包括普通散热器与热管散热器),并可进行强迫风冷。

在传统的使用和设计IGBT的过程中,基本上都是采用粗放式的设计模式,所需余量较大,系统庞大,但仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。那么该如何突破传统的IGBT系统电路保护设计来解决上述问题呢?

防护方案防止栅极电荷积累及栅源电压出现尖峰损坏IGBT可在G极和E极之间设置一些保护元件,如下图的电阻RGE的作用,是使栅极积累电荷泄放(其阻值可取5kΩ);两个反向串联的稳压二极管V1和V2,是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。另外,还有实现控制电路部分与被驱动的IGBT之间的隔离设计,以及设计适合栅极的驱动脉冲电路等。然而即使这样,在实际使用的工业环境中,以上方案仍然具有比较高的产品失效率有时甚至会超出5%。相关的实验数据和研究表明:这和瞬态浪涌、静电及高频电子干扰有着紧密的关系,而稳压管在此的响应时间和耐电流能力远远不足,从而导致IGBT过热而损坏。 [3]

传统保护模式和新型保护模式电路对比

将传统的稳压管改为新型的瞬态抑制二极管(TVS)。一般栅极驱动电压约为15V,可以选型SMBJ15CA。该产品可以通过IEC61000-4-5浪涌测试10/700US6kV。

TVS反应速度极快(达PS级),通流能力远超稳压二极管(可达上千安培),同时,TVS对静电具有非常好的抑制效果。该产品可以通过IEC61000-4-2接触放电8kV和空气放电15kV的放电测试。

将传统电阻RG变更为正温度系数(PPTC)保险丝。它既具有电阻的效果,又对温度比较敏感。当内部电流增加时,其阻抗也在增加,从而对过流具有非常好的抑制效果。

作为电力电子重要大功率主流器件之一,IGBT已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。在工业应用方面,如交通控制、功率变换、工业电机、不间断电源、风电与太阳能设备,以及用于自动控制的变频器。在消费电子方面,IGBT用于家用电器、相机和手机。

国内市场需求急剧上升曾使得IGBT市场一度被看好。虽然长期来看,IGBT是一个值得期待的市场,可是到目前为止IGBT的核心技术和产业为大多数欧美IDM半导体厂商所掌控,中国在2014年6月成功研制出8寸IGBT专业芯片,打破国际垄断 [5] 。并且随着各国政府都将削减可再生能源及交通等领域的支出,IGBT市场能否再度增长?

根据最新的调查报告显示,各种IGBT器件和模块的销售额在2013年将有一定程度的复苏,2014年稍稍减速,待经济复苏并稳定后,从2015年开始将稳定增长。虽然2013年IGBT市场增长趋势有所下降,但随着国内技术的进步,其发展前景还是十分被看好的。


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