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      半月談:IGBT應用設計全面剖析

      發布時間:2013-05-09 責任編輯:eliane

      【導讀】IGBT是電力電子重要大功率主流器件之一,已經廣泛應用于家用電器、交通運輸、電力工程、可再生能源和智能電網等領域。那么該如何做好IGBT的保護及設計呢?國內市場需求急劇上升曾使得IGBT市場一度被看好,今后的發展趨勢又將如何?本文都將為您講解。

      IGBT應用設計全面剖析

      如何做好IGBT的保護

      眾所周知,IGBT是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件,具有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點,被廣泛應用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差,一旦出現意外就會使它損壞。為此,必須對IGBT進行相關保護。一般我們從過流、過壓、過熱三方面進行IGBT保護電路設計

      IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒,耐過流量小,因此使用IGBT首要注意的是過流保護。那么該如何根據IGBT的驅動要求設計過流保護呢?

      IGBT的過流保護可分為兩種情況:(1) 驅動電路中無保護功能;(2) 驅動電路中設有保護功能。對于第一種情況,我們可以在主電路中要設置過流檢測器件;針對第二種情況,由于不同型號的混合驅動模塊,其輸出能力、開關速度與du/dt的承受能力不同,使用時要根據實際情況恰當選用。對于大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護則可以通過封鎖驅動信號或者減小柵壓來進行保護。

      過壓保護則可以從以下幾個方面進行:
      ●盡可能減少電路中的雜散電感。
      ●采用吸收回路。吸收回路的作用是;當IGBT關斷時,吸收電感中釋放的能量,以降低關斷過電壓。
      ●適當增大柵極電阻Rg。

      IGBT的過熱保護一般是采用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器),并可進行強迫風冷。

      傳統與新型IGBT保護模式對比

      在傳統的使用和設計IGBT的過程中,基本上都是采用粗放式的設計模式,所需余量較大,系統龐大,但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統引起的各種失效問題。那么該如何突破傳統的IGBT系統電路保護設計來解決上述問題呢?

      傳統保護模式:
      防護方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設置一些保護元件, 如下圖的電阻RGE的作用,是使柵極積累電荷泄放(其阻值可取5kΩ);兩個反向串聯的穩壓二極管V1和V2,是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。另 外,還有實現控制電路部分與被驅動的IGBT之間的隔離設計,以及設計適合柵極的驅動脈沖電路等。然而即使這樣,在實際使用的工業環境中,以上方案仍然具 有比較高的產品失效率——有時甚至會超出5%。相關的實驗數據和研究表明:這和瞬態浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關系,而穩壓管在此的響應時間和耐 電流能力遠遠不足,從而導致IGBT過熱而損壞。

      傳統保護模式和新型保護模式電路對比
      圖:傳統保護模式和新型保護模式電路對比

      新型保護模式:
      將傳統的穩壓管改為新型的瞬態抑制二極管(TVS)。一般柵極驅動電壓約為15V,可以選型SMBJ15CA。該產品可以通過IEC61000-4-5浪涌測試10/700US 6kV。
      TVS反應速度極快(達PS級),通流能力遠超穩壓二極管(可達上千安培),同時,TVS對靜電具有非常好的抑制效果。該產品可以通過 IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測試。
      將傳統電阻RG變更為正溫度系數(PPTC)保險絲。它既具有電阻的效果,又對溫度比較敏感。當內部電流增加時,其阻抗也在增加,從而對過流具有非常好的抑制效果。

      IGBT的應用及設計

      作為電力電子重要大功率主流器件之一,IGBT已經廣泛應用于家用電器、交通運輸、電力工程、可再生能源和智能電網等領域。在工業應用方面,如交通控制、功率變換、工業電機、不間斷電源、風電與太陽能設備,以及用于自動控制的變頻器。在消費電子方面,IGBT用于家用電器、相機和手機。小編也搜集了幾篇關于IGBT設計的文章,供大家參考:如何設計精簡、低成本的保護馬達驅動器中的IGBT如何能提高輸出功率密度的短路額定IGBT如何用IGBT實現高壓大功率變頻器基于IGBT的高能效電源設計大功率開關電源IGBT短路保護的三種設計方法

      IGBT產品市場現狀分析

      國內市場需求急劇上升曾使得IGBT市場一度被看好。雖然長期來看,IGBT是一個值得期待的市場,可是到目前為止IGBT的核心技術和產業為大多數歐美IDM半導體廠商所掌控,本土廠商想要打破國外企業對國內IGBT市場壟斷,還需要很多努力。并且隨著各國政府都將削減可再生能源及交通等領域的支出,IGBT市場能否再度增長?根據最新的調查報告顯示,各種IGBT器件和模塊的銷售額在2013年將有一定程度的復蘇,2014年稍稍減速,待經濟復蘇并穩定后,從2015年開始將穩定增長。雖然2013年IGBT市場增長趨勢有所下降,但隨著國內技術的進步,其發展前景還是十分被看好的。因此才會有許多廠商紛紛推出IGBT產品:東芝公司推出了應用于數碼相機閃光燈的分立式IGBT,切換時間縮短2/3IR擴充堅固可靠的600V溝道超高速IGBT系列英飛凌擴展第三代逆導IGBT產品組合飛兆用于高功率感應加熱應用的陽極短路型IGBT安森美9款高能效溝槽型場截止IGBT

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