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【原創】IGBT應用技術討論

我曾經在2010年發過一個帖

【原創】變流器的核心器件-MOSFETIGBT討論

http://bbs.dianyuan.com/topic/593509#wraper

該帖主要講述的就是IGBT應用技術,由于當時對IGBT應用技術掌握不到位,難免內容不全面,有些地方未涉及,有的地方含含糊糊,甚至有錯誤。在此表示歉意。

 

IGBT中文稱之為場效應雙極晶體管或隔離柵雙極晶體管。IGBT已經被各種電力電子產品廣泛應用,在中大功率的變流器中為主流器件。IGBT的應用技術遠比MOSFET復雜,有必要對IGBT應用技術作深入的探討。

 

IGBT的目標用戶

l         主要目標用戶為驅動各類電機的調速

l         新能源的變流器:風能發電,太陽能發電(光伏)

l         穩壓開關電源類,高頻直流焊機(恒流)等。

l         其他:諧波治理,高壓直流輸變電,電磁爐,UPS等等。

 

20111017,在北京,英飛凌招集了“英飛凌科技IGBT應用技術研討會”,內容和資料下載網址如下:

1. 新產品和新技術一覽
2. 
模塊應用選型和安全措施

3. 
功率損耗和溫度的估算

4. 
分析IGBT模塊在光伏逆變中的效率問題

5. 
以電動車為例估算IGBT模塊的可靠性壽命

6. IGBT
模塊并聯運用的注意事項

7. 
過流、過溫和過壓保護

8. 
短路類型及保護

9. 
門極參數RgCgeLgIGBT開關特性的影響

10. 
可靠性、失效率和MTBF概念

 

由于研討會只有一天,很多內容都沒有講。

在以后的帖子里,我將對英飛凌IGBT應用技術,依據我的理解作一些講解和探討。

 

全部回復(43)
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2011-10-26 13:25
搬個小板凳來聽課
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zbin01
LV.1
3
2011-10-26 16:08
受用了
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2011-10-27 12:04

先介紹一些IGBT的前沿應用

1IGBT應用的最大變流器是高壓直流輸變電,一條高壓直流輸變電線需要2套變流器裝置,使用的IGBT大功率模塊數量成千上萬個,模塊的單價約人民幣1萬。還需要大量的高壓大容量薄膜電容。這兩項是變流器的主要材料成本。變流器的材料成本是億元計算的。當然,與高壓交流輸變電相比,由于節能帶來的經濟效益極其可觀。目前,國家電科院正在研發。

2電網動態無功補償SVC(包含諧波治理),目前主要用于中壓(6KV――35KV)電網,主電路拓撲與直流輸變電類似,控制方式不同。由于電壓等級低于高壓直流輸變電,其材料成本也相對低一些。國內有少數公司在研發。國家電科院正在研發或已經有樣機運行。

3、高壓變頻器,驅動高壓交流電機,主流電壓等級為6KV10KV(電機電壓等級劃分與電網電壓等級劃分是不一樣的),驅動電機的功率從幾百KW到幾萬KW。主要用于節能,經濟效益好,一般運行2年之內即可收回設備投資。已經在國內推廣應用,為節能減排作出了重要貢獻。國家有相應的政策支持,國內在做高壓變頻器的公司估計遠超100家,絕大多數是民營公司,由于技術門檻比較高,技術過關的不超過10家。由于新上高壓變頻器的公司太多,這方面的高端人才奇缺。大家熟知的華為也啟動了該項目。

4、電力機車牽引,鐵路機車(如高鐵),地鐵,礦山運輸電力機車,磁懸浮。這方面基本由國企壟斷。

5新能源的(并網)變流器:風能發電,太陽能發電(光伏),風能的功率等級一般在幾兆瓦,光伏的功率等級在幾百KW。新能源的(并網)變流器的應用前景很好,屬于快速增長期。

6、電動車電機調速,要求4象限運行,運行環境惡劣,寬溫度范圍,快速動態變化。能否大面積推廣取決于動力電池。

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2011-10-27 16:56

第一個問題:IGBT的過流和短路及其保護

英飛凌技術資料【短路類型及保護.pdf】第四頁

 

 

縱坐標是集電極電流與其額定電流的比值,即倍數;橫坐標是VCE。圖中有三條不同柵極電壓的特性曲線。

首先定義1倍到2倍集電極電流為過流,此時IGBT工作在飽和區,IGBT過流是可以有條件重復發生的,條件是結溫不超過允許的最高運行結溫,時間小于1毫秒。

當進入放大區時,即IC不隨VCE的升高而變化時,定義為短路。短路在較長的時間內是不允許重復的。

從過流到短路的之間的彎曲的線定義為過渡區。

柵電壓如果在13V15V,短路時VCE6V,短路電流是額定電流的35倍,可承受的最長時間為10微秒,英飛凌確認IGBT不會損壞,是經過驗證的;如果柵電壓超過15V,電流就會超過5倍額定電流,10微秒,英飛凌不確認IGBT不會損壞,未經過驗證。

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ysun
LV.6
6
2011-10-27 19:19
@世界真奇妙
第一個問題:IGBT的過流和短路及其保護英飛凌技術資料【短路類型及保護.pdf】第四頁[圖片]  縱坐標是集電極電流與其額定電流的比值,即倍數;橫坐標是VCE。圖中有三條不同柵極電壓的特性曲線。首先定義1倍到2倍集電極電流為過流,此時IGBT工作在飽和區,IGBT過流是可以有條件重復發生的,條件是結溫不超過允許的最高運行結溫,時間小于1毫秒。當進入放大區時,即IC不隨VCE的升高而變化時,定義為短路。短路在較長的時間內是不允許重復的。從過流到短路的之間的彎曲的線定義為過渡區。柵電壓如果在13V-15V,短路時VCE>6V,短路電流是額定電流的3-5倍,可承受的最長時間為10微秒,英飛凌確認IGBT不會損壞,是經過驗證的;如果柵電壓超過15V,電流就會超過5倍額定電流,10微秒,英飛凌不確認IGBT不會損壞,未經過驗證。

頂起!

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wanghmpb
LV.3
7
2011-10-28 00:52
前排支持,學習
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kinto
LV.5
8
2011-10-28 08:36
@電源網-源源
[圖片]搬個小板凳來聽課
小板凳被你搶走了,我只好抬椅子了
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2011-10-31 09:11

有很多成品IGBT的驅動保護電路,IC級的有HCPL-316JPC929等等;厚膜電路有84157962等等;PCB板級有賽米控(西門康)、CONSEPT等等。這些IGBT的驅動保護電路都是用于短路保護的,它們共同的做法是檢測VCE,當VCE足夠高,IGBT進入放大區,也就是說IGBT進入短路時,保護動作才發生。然后驅動輸出就鎖死,有些電路在一定時間(微秒或毫秒級)后自動解鎖;有些電路需要外部解鎖信號。由于IGBT短路在較長的時間內是不允許重復的,所以,在使用可自動解鎖的電路時,外部控制電路在接收到驅動故障信號后,必需封鎖驅動信號,才能可靠保護IGBT

這些成品IGBT的驅動保護電路的故障(短路)檢測端是通過二極管連接到IGBT的集電極,這樣就可能引入干擾,所以在二極管后通常會有RC濾波,以免誤報驅動故障。各種產品電路設置的保護閾值不同,閾值高則不易受干擾,保護靈敏度下降,保護動作稍微滯后。閾值低則易受干擾,保護靈敏度高,易受干擾發生誤保護。例如,HCPL316J的保護閾值為7V,很容易受干擾,因此原廠建議采用如下電路參數(Cb增加到1000P,增加Rb),增強抗干擾。而PC929的閾值為9.5V(驅動正壓+15V時),抗干擾就好得多。

 

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2011-10-31 20:54
@世界真奇妙
有很多成品IGBT的驅動保護電路,IC級的有HCPL-316J、PC929等等;厚膜電路有841,57962等等;PCB板級有賽米控(西門康)、CONSEPT等等。這些IGBT的驅動保護電路都是用于短路保護的,它們共同的做法是檢測VCE,當VCE足夠高,IGBT進入放大區,也就是說IGBT進入短路時,保護動作才發生。然后驅動輸出就鎖死,有些電路在一定時間(微秒或毫秒級)后自動解鎖;有些電路需要外部解鎖信號。由于IGBT短路在較長的時間內是不允許重復的,所以,在使用可自動解鎖的電路時,外部控制電路在接收到驅動故障信號后,必需封鎖驅動信號,才能可靠保護IGBT。這些成品IGBT的驅動保護電路的故障(短路)檢測端是通過二極管連接到IGBT的集電極,這樣就可能引入干擾,所以在二極管后通常會有RC濾波,以免誤報驅動故障。各種產品電路設置的保護閾值不同,閾值高則不易受干擾,保護靈敏度下降,保護動作稍微滯后。閾值低則易受干擾,保護靈敏度高,易受干擾發生誤保護。例如,HCPL316J的保護閾值為7V,很容易受干擾,因此原廠建議采用如下電路參數(Cb增加到1000P,增加Rb),增強抗干擾。而PC929的閾值為9.5V(驅動正壓+15V時),抗干擾就好得多。[圖片] 

這一塊知識還是在黃俊老師和王兆安老師主編的《電力電子技術》這本書學的,現在在詳細聽旅長的講解。

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czlw888
LV.7
11
2011-10-31 22:18
@笨小孩1114
這一塊知識還是在黃俊老師和王兆安老師主編的《電力電子技術》這本書學的,現在在詳細聽旅長的講解。
很好,頂一下。
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2011-11-02 09:19
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2011-11-29 11:14

第二個問題:IGBT的尖峰電壓及其保護

大功率IGBT模塊一般不會用于單端反激電路,因此在討論這個問題時僅限于半橋、全橋和三相橋硬開關電路拓撲。

IGBT在快速關斷時,集電極電流快速下降,會產生VCE的尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于多個因素,第一是關斷時的集電極電流大小;第二是關斷的速度;第三是IGBT電流回路的導線電感;第四是IGBT接線端子到芯片引線電感。集電極電流的大小是工作狀態的需要決定的,不可改變;減慢關斷速度可以降低尖峰電壓,但是,開關損耗會明顯增加,代價是非常大的,所以一般不采納;IGBT接線端子到芯片引線電感是IGBT內部的電感,也是我們無法改變的,但是,我們可以選擇內部引線電感小的IGBT模塊,例如,如下圖

 

普通老62毫米封裝的IGBT,內部引線電感就比較大;新型封裝如下圖,

 

 

內部電感就很小。最后,IGBT外部電流回路的導線電感,是影響VCE尖峰電壓的主要原因,在直流母線到IGBT端子之間的電氣連接可以采用功率母線(平行母板)連接,可有效降低VCE的尖峰電壓;另外在IGBT端子的正負母線之間直接加無感電容也能在一定程度上降低尖峰電壓。

如果變流器與負載直接連接,當負載短路時,會有約5倍的IGBT額定電流,此時關斷的尖峰電壓會異常的高,采用軟關斷技術可在一定程度上降低尖峰電壓,如果仍然太高,可以采用集電極鉗位技術來控制VCE的尖峰電壓,如CONCEPT的成品IGBT驅動器2SC0435T,如下圖:圖中D12D22D11D21就是用于鉗位的TVS管。

 

 

      

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gold_fency
LV.5
14
2011-12-15 20:24
先來占個座。
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czlw888
LV.7
15
2011-12-15 20:56
@gold_fency
先來占個座。
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gold_fency
LV.5
16
2011-12-16 14:07
@世界真奇妙
第二個問題:IGBT的尖峰電壓及其保護大功率IGBT模塊一般不會用于單端反激電路,因此在討論這個問題時僅限于半橋、全橋和三相橋硬開關電路拓撲。IGBT在快速關斷時,集電極電流快速下降,會產生VCE的尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于多個因素,第一是關斷時的集電極電流大小;第二是關斷的速度;第三是IGBT電流回路的導線電感;第四是IGBT接線端子到芯片引線電感。集電極電流的大小是工作狀態的需要決定的,不可改變;減慢關斷速度可以降低尖峰電壓,但是,開關損耗會明顯增加,代價是非常大的,所以一般不采納;IGBT接線端子到芯片引線電感是IGBT內部的電感,也是我們無法改變的,但是,我們可以選擇內部引線電感小的IGBT模塊,例如,如下圖[圖片] 普通老62毫米封裝的IGBT,內部引線電感就比較大;新型封裝如下圖,[圖片]  內部電感就很小。最后,IGBT外部電流回路的導線電感,是影響VCE尖峰電壓的主要原因,在直流母線到IGBT端子之間的電氣連接可以采用功率母線(平行母板)連接,可有效降低VCE的尖峰電壓;另外在IGBT端子的正負母線之間直接加無感電容也能在一定程度上降低尖峰電壓。如果變流器與負載直接連接,當負載短路時,會有約5倍的IGBT額定電流,此時關斷的尖峰電壓會異常的高,采用軟關斷技術可在一定程度上降低尖峰電壓,如果仍然太高,可以采用集電極鉗位技術來控制VCE的尖峰電壓,如CONCEPT的成品IGBT驅動器2SC0435T,如下圖:圖中D12、D22、D11、D21就是用于鉗位的TVS管。 [圖片]       

求驅動講解

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hzj515
LV.3
17
2011-12-27 13:45
@czlw888
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沒有了嗎?
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2011-12-30 15:07
跟著聽課
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2012-01-06 12:36
@無源之水
跟著聽課
碩上
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2012-01-06 13:48
@龍城散熱器
碩上
  我也來湊下熱鬧\\
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wwjtj
LV.3
21
2012-01-06 14:46
@世界真奇妙
第一個問題:IGBT的過流和短路及其保護英飛凌技術資料【短路類型及保護.pdf】第四頁[圖片]  縱坐標是集電極電流與其額定電流的比值,即倍數;橫坐標是VCE。圖中有三條不同柵極電壓的特性曲線。首先定義1倍到2倍集電極電流為過流,此時IGBT工作在飽和區,IGBT過流是可以有條件重復發生的,條件是結溫不超過允許的最高運行結溫,時間小于1毫秒。當進入放大區時,即IC不隨VCE的升高而變化時,定義為短路。短路在較長的時間內是不允許重復的。從過流到短路的之間的彎曲的線定義為過渡區。柵電壓如果在13V-15V,短路時VCE>6V,短路電流是額定電流的3-5倍,可承受的最長時間為10微秒,英飛凌確認IGBT不會損壞,是經過驗證的;如果柵電壓超過15V,電流就會超過5倍額定電流,10微秒,英飛凌不確認IGBT不會損壞,未經過驗證。

旅長:

你好,我有一個問題,以INFINEON的400A模塊為列,

根據Ic與Vce的曲線可知,當Ic =800A時,Vce的壓降也只有3.0V

加上二極管的壓降后,316J的通態電壓檢測引腳desat也只有3.7V,

我想不明白desat引腳上的電壓為何會達到7V?

期待你的答復,謝謝。

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2012-01-09 11:55
@wwjtj
旅長:你好,我有一個問題,以INFINEON的400A模塊為列,根據Ic與Vce的曲線可知,當Ic=800A時,Vce的壓降也只有3.0V加上二極管的壓降后,316J的通態電壓檢測引腳desat也只有3.7V,我想不明白desat引腳上的電壓為何會達到7V?期待你的答復,謝謝。

desat引腳上的電壓為何會達到7V?

是因為干擾,你用示波器直接觀察,可以看到干擾的尖峰電壓達到了7V。

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wwjtj
LV.3
23
2012-01-13 16:34
@世界真奇妙
desat引腳上的電壓為何會達到7V?是因為干擾,你用示波器直接觀察,可以看到干擾的尖峰電壓達到了7V。

呵呵,謝謝

我還問一下,你指的干擾是由引線電感/IGBT內部雜散電感與電容產生出來的,還是由于其他因素產生的?

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2012-01-13 22:21
@wwjtj
呵呵,謝謝我還問一下,你指的干擾是由引線電感/IGBT內部雜散電感與電容產生出來的,還是由于其他因素產生的?
一般大功率變流器由2個IGBT半橋組成單相橋,由3個IGBT半橋組成三相橋。在某個半橋有IGBT關斷時產生電壓尖峰,該電壓尖峰通過直流母線干擾其他半橋正在導通的IGBT。是傳導干擾,電壓尖峰通過接在IGBT集電極的檢測二極管(結電容)導入驅動器電路。
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wwjtj
LV.3
25
2012-01-13 23:23
@世界真奇妙
一般大功率變流器由2個IGBT半橋組成單相橋,由3個IGBT半橋組成三相橋。在某個半橋有IGBT關斷時產生電壓尖峰,該電壓尖峰通過直流母線干擾其他半橋正在導通的IGBT。是傳導干擾,電壓尖峰通過接在IGBT集電極的檢測二極管(結電容)導入驅動器電路。

呵呵,非常感謝旅長

對于316J的短路保護時間的計算,假定電源為+15V和-7.5V,

在IGBT運行前就短路,那短路響應時間是不是

就可以采用t = -Rb*Cb*ln[(15V-7V)/(15V+7.5V)]來計算,是不是就可以忽略316J內部的250uA的充電電流?

還是就是短路保護時間的確定,我看到過有人選用3uS,還有人用6~7uS,

我不太理解短路時不同的保護時間對IGBT影響的差異?

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wwjtj
LV.3
26
2012-01-16 16:23
@世界真奇妙
一般大功率變流器由2個IGBT半橋組成單相橋,由3個IGBT半橋組成三相橋。在某個半橋有IGBT關斷時產生電壓尖峰,該電壓尖峰通過直流母線干擾其他半橋正在導通的IGBT。是傳導干擾,電壓尖峰通過接在IGBT集電極的檢測二極管(結電容)導入驅動器電路。

旅長,

變頻器中的IGBT,3個橋臂(假定為U、V、W)之間的開通與關斷存在死區時間,大約為3uS,

當U相上半橋關閉后,延時3uS,V相上半橋才會開通,

此時U相上半橋關閉時,所產生的尖峰電壓已經不存在,

316J是不是就已經不受尖峰電壓的傳導干擾?

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2012-01-16 16:49
@wwjtj
旅長,變頻器中的IGBT,3個橋臂(假定為U、V、W)之間的開通與關斷存在死區時間,大約為3uS,當U相上半橋關閉后,延時3uS,V相上半橋才會開通,此時U相上半橋關閉時,所產生的尖峰電壓已經不存在,316J是不是就已經不受尖峰電壓的傳導干擾?

同一橋臂的上下管有死區,兩個橋臂之間是沒有死區的。

IGBT短路時會快速溫升,會影響其壽命,所以盲區時間不要太長。

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wwjtj
LV.3
28
2012-01-17 10:38
@世界真奇妙
同一橋臂的上下管有死區,兩個橋臂之間是沒有死區的。IGBT短路時會快速溫升,會影響其壽命,所以盲區時間不要太長。

旅長!

我還有一個問題,如果我的半橋中的下半橋也采用檢測Vce壓降來實現短路保護,母線上的尖峰電壓是如何通過二極管的結電容傳導至316J的檢測引腳?

現在假設二極管的結電容等于5PF, Cb = 1000pf, 尖峰電壓傳導至Cb上的電壓為

V*5PF/(5PF+1000PF) ,這里的V取值應為峰值電壓,還是峰值電壓與母線電壓的差值?


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2012-01-17 11:10
@wwjtj
旅長!我還有一個問題,如果我的半橋中的下半橋也采用檢測Vce壓降來實現短路保護,母線上的尖峰電壓是如何通過二極管的結電容傳導至316J的檢測引腳?現在假設二極管的結電容等于5PF,Cb=1000pf,尖峰電壓傳導至Cb上的電壓為V*5PF/(5PF+1000PF),這里的V取值應為峰值電壓,還是峰值電壓與母線電壓的差值?

IGBT任何兩個極之間都有電容,內置快速二極管也有電容。干擾可以通過這些電容傳導到下管。

“V*5PF/(5PF+1000PF)”,這樣的計算是不準確的,因為IGBT下管各電極間也有電容。

另外,一般取樣二極管的結電容有十幾P。

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langkong
LV.1
30
2012-05-10 15:36
怎么這些網站鏈接都沒有呢?
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操作工
LV.3
31
2012-06-26 13:32
搬凳子來聽課,老師繼續啊
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