变频器中的IGBT与功能模块详解

一、IGBT简介

1.IGBT的技术特点

GTO（门极关断晶闸管）和GTR（电力晶体管）是电流驱动器件，具有很强的通流能力，而它们的开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。电力MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)是单极型电压驱动器件，它的开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小，驱动电路简单。因此这两种器件各有其优缺点。

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）综合了GTR与MOSFET的优点，是以达林顿结构组成的一种新型电力电子器件，其主体部分与晶体管相同，有集电极C和发射极E，具有通流电流大，驱动功率小，驱动电路简单，开关速度快等良好的特性，自从20世纪80年代开始投入市场，应用领域迅速扩展，目前已经取代GTR和GTO，成为大、中功率电力电子设备的主导器件，该器件的工作电压和电流容量也在逐渐提高。

IGBT是GTR和MOSFET相结合的一种新器件，它的输入端和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构，图1所示为IGBT的内部等效电路以及它的图形符号。

图1 IGBT内部等效电路及图形符号

2.IGBT的技术参数

IGBT的主要技术参数有如下几个：

1）集电极最大允许电流ICM：IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的最大电流。

2）栅极驱动电压UGE：施加在栅极与发射极之间的电压。在变频器应用电路中，使IGBT饱和导通的UGE为12V～20V，而当IGBT截止时，UGE为-15V～-5V。

3）集电极-发射极额定电压UCEX：IGBT的栅极-发射极短路、管子处在截止状态下集电极与发射极之间能承受的最大电压。

4）开通时间与关断时间：电流从10%ICM上升到90%ICM所需要的时间，称作开通时间，用tON表示；电流从90%ICM下降到到10%ICM所需要的时间，称作关断时间，用tOFF表示。ICM是IGBT集电极最大允许电流值。

5）集电极-发射极饱和电压UCES：IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降。

6）漏电流ICEO：IGBT在截止状态下的集电极电流。

3.IGBT的使用注意事项

随着电子技术及计算机控制技术的发展，IGBT正日益广泛地应用于小体积、低噪声、高性能的电源、通用变频器和电机控制、伺服控制、不间断电源（UPS）等场合。IGBT在使用过程中，应注意如下问题：

1）一般IGBT的驱动级正向驱动电压ＵGE应保持在15V～20V，这样可使IGBT的饱和电压较小，损耗降低，避免损坏管子。

2)关断IGBT的栅极驱动电压-ＵGE应大于5V，若这个负电压值太小，集电极电压变化率du/dt可能使管子误导通或不能关断。

3)栅极和驱动信号之间应加一个栅极驱动电阻RG，该电阻的阻值与管子的额定电流有关，可以在IGBT使用手册中查到。如果不加这个电阻，管子导通瞬间，可能产生电流和电压颤动，增加开关损耗。

4)设备短路时，IC电流会急剧增加，使ＵGE产生一个尖脉冲，这个尖脉冲会进一步增加IC电流，形成正反馈。为了保护管子，可在栅极—发射极间加一个稳压二极管，钳制G-E电压突然上升。当驱动电压为15V时，稳压管的稳压值可以为16V。

二、变频器中的模块逆变电路

在变频器中，由IGBT以及相应的驱动控制、保护电路构成完整的逆变电路，实现将直流电逆变为交流电的功能。逆变电路可以由分立元器件或具有各种功能的模块电路构成。随着技术的发展和进步，分立元器件构成的逆变电路已经退出历史舞台。

1.IGBT模块

在变频器的应用电路中，通常在IGBT的旁边反向并联一个二极管，而且经常做成模块形式，图2所示就是各种结构的IGBT模块。

图2 几种结构的IGBT模块

2.IGBT的栅极电阻RG

在图3中，IGBT的栅极接有一个电阻RG，这个电阻的选择非常重要，这是因为IGBT管的栅极G和发射极E之间存在着寄生的结电容CGE，这个电容的充放电将影响到IGBT的工作。RG阻值大，将延长IGBT的开通和关断时间；RG阻值太小，IGBT关断太快，将使IGBT的C、E极电压迅速从饱和导通状态时的低于3V上升到约为500V以上，这将通过集电极和栅极之间的结电容UCG产生反馈电流iCG，对IGBT的关断起到阻碍作用，甚至发生误导通。因此，栅极电阻RG的连接是必须的，不可缺少的。

图3 富士EXB系列驱动模块与IGBT的连接电路

栅极电阻的大小应严格按照IGBT的说明书选取。

3.驱动模块输出信号的放大

IGBT是电压控制型器件，其栅极与发射极之间的输入阻抗很大，吸收信号源的电流和消耗的驱动功率也很小，但由于栅极G与发射极E之间存在着结电容CGE，在驱动信号作用下，也会吸收电流。容量越大的IGBT，CGE也越大，吸收的电流也越大，而驱动模块输出电流有时不足20mA，甚至只有几mA，所以对于在大容量变频器中使用的IGBT，驱动模块输出的驱动信号需要进行放大，如图4所示。

图4 驱动模块输出驱动信号的放大电路

在图4中，驱动模块输出端3脚与IGBT栅极之间接入了由V3和V4组成的推挽放大电路，将驱动信号进行再次放大，从而满足大容量IGBT的驱动需求。

5.智能电力模块IPM

智能电力模块IPM是电力集成电路的一种，有时也称作智能电力集成电路SPIC。

电力电子器件和配套的控制电路，过去都是分立元器件的电路装置，而今随着半导体技术及其相应工艺技术的成熟，已经可以将电力电子器件及其配套的控制电路集成在一个芯片上，形成所谓的电力集成电路。这种电路能集成电力电子器件、有源或无源器件、完整的控制电路、检测与保护电路，由于它结构紧凑、集成化程度高，从而避免了分布参数、保护延迟等一系列技术问题。

下面介绍变频器中较常用的以IGBT为主开关器件的IPM。目前几十千瓦以下的变频器已经开始采用这种集成度高、功能强大的器件IPM。富士公司R系列IPM的型号含义如图5所示。

图5 富士智能电力模块IPM型号含义

图6所示为富士7MBP100RA060智能电力模块的内部结构图。模块内部包含7个IGBT和7个功率二极管。其中IGBT1～IGBT6构成三相逆变桥，VDF1～VDF6是与6个IGBT反向并联的回馈二极管。动力制动由IGBT7作为开关管，VDW是它的续流二极管。模块的16脚ALM端是报警信号输出端，可对模块的短路、控制电源欠电压、IGBT及VDF过电流、VDW过电流、IGBT芯片过热、外壳过热等各种运行异常实施保护，当ALM端有报警信号输出时，IGBT的电流通路被封锁，IPM受到保护。

图6 富士7MBP100RA060智能电力模块内部结构图

由于IPM内部的驱动电路是专门针对内部的IGBT设计的，因此具有最佳的驱动条件。IPM还内含制动电路，即由IGBT7等电路组成，只要在外电路端子P与B之间接入制动电阻，就能实现制动。

7MBP100RA060智能电力模块的接线端子使用的符号及其含义如表1所示。

表1  7MBP100RA060智能电力模块的接线端子符号及其含义

                                              

使用IPM模块构成的变频器应用系统如图7所示。图中方框内是IPM模块，模块内的电路见图6。模块IPM右侧画出的是连接电动机、制动电阻的电路，以及整流滤波电路。制动电阻连接在端子P与B之间。模块左侧连接的是控制信号电路和报警输出电路。

图7 IPM模块在变频器中的应用电路

图7中的应用系统使用4组相互绝缘的控制电源，即UCC1、UCC2、UCC3和UCC4。其中逆变桥的上桥臂使用3组，下桥臂和制动单元共用1组。这4组控制电源还必须与主电源之间具有良好地绝缘。

下桥臂控制电源的GND和主电源的GND已经在IPM内连接好，在IPM外部绝对不允许再连接，否则将会产生环流，引起IPM的误动作，甚至可能破坏IPM的输入电路。

 

 

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