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      IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)在變頻器中的應用

         日期:2018-05-02     來源:中國工業電氣論壇    瀏覽:79    評論:0    

        IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

        一、簡介

        IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小,開關速度快,但導通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點,驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。圖1所示為一個N溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結構, N+ 區稱為源區,附于其上的電極稱為源極。N+ 區稱為漏區。器件的控制區為柵區,附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區邊界形成。在漏、源之間的P 型區(包括P+ 和P一區)(溝道在該區域形成),稱為亞溝道區( Subchannel region )。而在漏區另一側的P+ 區稱為漏注入區(Drain injector ),它是IGBT 特有的功能區,與漏區和亞溝道區一起形成PNP 雙極晶體管,起發射極的作用,向漏極注入空穴,進行導電調制,以降低器件的通態電壓。附于漏注入區上的電極稱為漏極。IGBT 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP 晶體管提供基極電流,使IGBT 導通。反之,加反向門極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT 關斷。IGBT 的驅動方法和MOSFET基本相同,只需控制輸入極N一溝道MOSFET ,所以具有高輸入阻抗特性。當MOSFET 的溝道形成后,從P+ 基極注入到N 一層的空穴(少子),對N 一層進行電導調制,減小N 一層的電阻,使IGBT 在高電壓時,也具有低的通態電壓。

        IGBT模塊的選擇

        二、使用中的注意事項

        由于IGBT模塊為MOSFET結構,IGBT的柵極通過一層氧化膜與發射極實現電隔離。由于此氧化膜很薄,其擊穿電壓一般達到20~30V。因此因靜電而導致柵極擊穿是IGBT失效的常見原因之一。因此使用中要注意以下幾點:

        在使用模塊時,盡量不要用手觸摸驅動端子部分,當必須要觸摸模塊端子時,要先將人體或衣服上的靜電用大電阻接地進行放電后,再觸摸;在用導電材料連接模塊驅動端子時,在配線未接好之前請先不要接上模塊;盡量在底板良好接地的情況下操作。在應用中有時雖然保證了柵極驅動電壓沒有超過柵極最大額定電壓,但柵極連線的寄生電感和柵極與集電極間的電容耦合,也會產生使氧化層損壞的振蕩電壓。為此,通常采用雙絞線來傳送驅動信號,以減少寄生電感。在柵極連線中串聯小電阻也可以抑制振蕩電壓。

        此外,在柵極—發射極間開路時,若在集電極與發射極間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由于集電極有漏電流流過,柵極電位升高,集電極則有電流流過。這時,如果集電極與發射極間存在高電壓,則有可能使IGBT發熱及至損壞。

        在使用IGBT的場合,當柵極回路不正常或柵極回路損壞時(柵極處于開路狀態),若在主回路上加上電壓,則IGBT就會損壞,為防止此類故障,應在柵極與發射極之間串接一只10KΩ左右的電阻。

        在安裝或更換IGBT模塊時,應十分重視IGBT模塊與散熱片的接觸面狀態和擰緊程度。為了減少接觸熱阻,最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂。一般散熱片底部安裝有散熱風扇,當散熱風扇損壞中散熱片散熱不良時將導致IGBT模塊發熱,而發生故障。因此對散熱風扇應定期進行檢查,一般在散熱片上靠近IGBT模塊的地方安裝有溫度感應器,當溫度過高時將報警或停止IGBT模塊工作。

        IGBT模塊的電壓規格與所使用裝置的輸入電源即試電電源電壓緊密相關。其相互關系見下表。使用中當IGBT模塊集電極電流增大時,所產生的額定損耗亦變大。同時,開關損耗增大,使原件發熱加劇,因此,選用IGBT模塊時額定電流應大于負載電流。特別是用作高頻開關時,由于開關損耗增大,發熱加劇,選用時應該降等使用。

        三、保管時的注意事項

        一般保存IGBT模塊的場所,應保持常溫常濕狀態,不應偏離太大。常溫的規定為5~35℃,常濕的規定在45~75%左右。在冬天特別干燥的地區,需用加濕機加濕; 盡量遠離有腐蝕性氣體或灰塵較多的場合;在溫度發生急劇變化的場所IGBT模塊表面可能有結露水的現象,因此IGBT模塊應放在溫度變化較小的地方;保管時,須注意不要在IGBT模塊上堆放重物;裝IGBT模塊的容器,應選用不帶靜電的容器。IGBT模塊由于具有多種優良的特性,使它得到了快速的發展和普及,已應用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能,了解選擇及使用時的注意事項對實際中的應用是十分必要的。

       
      標簽: 變頻器 IGBT
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