IGBT大功率晶体管在大功率直流电源中的应用

　　直流电源主要有开关型、线性式二种结构。开关式大功率直流电源以其可靠性高，输出电压稳定，无中断时间等显著优点，广泛用于通信系统、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府机关的机房中。本文以开关式为介绍对象，介绍大功率直流电源中的IGBT的应用。
 

　　开关式大功率直流电源具AC/DC整流器、滤波器、DC/AC逆变器等系统，工作原理是：AC/DC整流器将交流电整流成直流电，再经DC/AC逆变器将直流电逆变为交流电，然后再由交流电整流成直流电，为设备提供高质量的直流电压及电流 

　　(2)、整流器AC/DC
 

　　大功率直流电源整流电路分为普通桥堆整流、SCR相控整流和PFC高频功率因数校正的整流器。传统的整流器由于基频为50HZ，滤波器的体积重量较重，随着技术的发展和各国对电源输入功率因数要求，采用PFC功率因数校正的UPS日益普及，PFC电路工作的基频至少20KHZ，使用的滤波器电感和滤波电容的体积重量大大减少，不必加谐波滤波器就可使输入功率因数达到0.99，PFC电路中常用IGBT作为功率器件，应用IGBT的PFC整流器是有效率高、功率容量大、绿色环保的优点。
 

　　(3)、充电器
 

　　充电器常用的有反激式、BOOST升压式和半桥式。大电流充电器中可采用单管IGBT，用于功率控制，可以取得很高的效率和较大的充电电流。
 

　　(4)、DC/AC逆变器
 

　　3KVA以上功率的直流电源几乎全部采用IGBT作为逆变部分的功率器件，常用全桥式电路和半桥电路。
 

　　IGBT损坏的原因及解决方法
 

　　大功率直流电源在使用过程中，经常受到容性或感性负载的冲击、过负荷甚至负载短路等，以及大功率直流电源的误操作，可能导致IGBT损坏。IGBT在使用时的损坏原因主要有以下几种情况：
 

　　(1)、过电流损坏
 

　　IGBT有一定抗过电流能力，但必须注意防止过电流损坏。IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管，所以有擎住效应。图5为一个IGBT的等效电路，在规定的漏极电流范围内，NPN的正偏压不足以使NPN晶体管导通，当漏极电流大到一定程度时，这个正偏压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，门极失去了控制作用，便发生了擎住效应。IGBT发生擎住效应后，漏极电流过大造成了过高的功耗，zui后导致器件的损坏。
 

　　为了避免IGBT发生擎住效应而损坏，电路设计中应保证IGBT的zui大工作电流应不超过IGBT的IDM值，同时注意可适当加大驱动电阻RG的办法延长关断时间，减小IGBT的di/dt。驱动电压的大小也会影响IGBT的擎住效应，驱动电压低，承受过电流时间长，IGBT必须加负偏压，IGBT生产厂家一般推荐加-5V左右的反偏电压。在有负偏压情况下，驱动正电压在10—15V之间，漏极电流可在5～10μs内超过额定电流的4～10倍，所以驱动IGBT必须设计负偏压。由于大功率直流电源负载冲击特性各不相同，且供电的设备可能发生电源故障短路，所以在大功率直流电源设计中采取限流措施进行IGBT的电流限制也是必须的，可考虑采用IGBT厂家提供的驱动厚膜电路。
 

　　(2)、过电压损坏
 

　　IGBT在关断时，由于逆变电路中存在电感成分，关断瞬间产生尖峰电压，如果尖峰电压过压则可能造成IGBT击穿损坏。
 

　　防止过电压损坏方法有：优化主电路的工艺结构，通过缩小大电流回路的路径来减小线路寄生电感;适当增加IGBT驱动电阻Rg使开关速度减慢(但开关损耗也增加了);设计缓冲电路，对尖峰电压进行抑制。用于缓冲电路中的二极管必须是快恢复的二极管，电容必须是高频、损耗小，频率特性好的薄膜电容。这样才能取得好的吸收效果。常见电路有耗能式和回馈式缓冲电路。回馈式又有无源式和有源式两种，详细电路设计可参见所选用器件的技术手册。
 

　　(3)、桥臂共导损坏
 

　　在大功率直流电源中，逆变桥同臂支路两个驱动必须是互锁的，而且应该设置死区时间(即共同不导通时间)。如果发生共导，IGBT会迅速损坏。在控制电路应该考虑到各种运行状况下的驱动问题控制时序问题。
 

　　(4)、过热损坏和静电损坏
 

　　可通过降额使用，加大散热器，涂敷导热胶，强制风扇制冷，设置过温度保护等方法来解决过热损坏的问题。此外还要注意安装过程中的静电损坏问题，操作人员、工具必须进行防静电保护。
 

　　总结 

　　1)IGBT兼具有功率MOSFET和GTR的优点，是大功率直流电源中的逆变器，整流器等功率变换的理想器件。
 

　　2)只有合理运用IGBT大功率晶体管，并采取有效的保护方案，及成熟的电路，才可能提高IGBT在大功率直流电源中的可靠性。