功率模块浅析
功率模块IGBT、IPM、PIM的性能及使用时有关问题的综述
&&&&供稿：lijuan&&&&阅读：372&
IGBT的使用综合性能是非常优越的，决非其它功率器件所能替代的，因此成为当今逆变电路DC/AC中主要器件。
IGBT主要用途&IGBT是先进的第三代功率模块，工作频率1-20KHZ，主要应用在变频器的主回路逆变器及一切逆变电路，即DC/AC变换中。例电动汽车、伺服控制器、UPS、开关电源、斩波电源、无轨电车等。问世迄今有十年多历史，几乎已替代一切其它功率器件，例SCR、GTO、GTR、MOSFET，双极型达林顿管等,目今功率可高达1MW的低频应用中，单个元件电压可达4.0KV（PT结构）—
6.5KV（NPT结构），电流可达1.5KA，是较为理想的功率模块。
追其原因是第三代IGBT模块，它是电压型控制，输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，通断速度快，工作频率高，元件容量大等优点。实质是个复合功率器件，它集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体化。又因先进的加工技术使它通态饱和电压低，开关频率高（可达20KHZ），这两点非常显著的特性，最近西门子公司又推出低饱和压降（2.2V）的NPT—IGBT性能更佳，相继东芝、富士、IR、摩托罗拉亦已在开发研制新品种。
IGBT发展趋向是高耐压、大电流、高速度、低压降、高可靠、低成本为目标的，特别是发展高压变频器的应用，简化其主电路，减少使用器件，提高可靠性，降低制造成本，简化调试工作等，都与IGBT有密切的内在联系，所以世界各大器件公司都在奋力研究、开发，予估近2-3年内，会有突破性的进展。目今已有适用于高压变频器的有电压型HV-IGBT，IGCT，电流型SGCT等。&2
关断浪涌电压&在关断瞬时流过IGBT的电流，被切断时而产生的瞬时电压。它是因带电动机感性负载（L）及电路中漏电感（Lp），其总值L＊p
= L + Lp则Vp＊ = Vce + Vp而Vp = L＊p di/dt在极端情况下将产生Vp＊
Vces（额定电压）导致器件的损坏发生，为此要采取尽可能减小电感（L），电路中的漏电感（Lp）—由器件制造结构而定，例合理分布，缩短到线长度，适当加宽减厚等。&3
恢复浪涌电压&续流二极管是为当IGBT下臂关断，电感性电流就可在上臂续流管提供通路，（这时处正向导通），它将减小di/dt值，防止产生过电压。但又当下臂导通时，续流二极管反向恢复，变为负值而关断，电流将要下降为零值，因Lp存在要产生浪涌电压，阻止电流的下降，尤其当使用硬恢复二极管时，将产生较高的反向恢复di/dt值，可导致很高的瞬时电压出现。&4
缓冲电路形式&用以控制关断浪涌电压和恢复浪涌电压，以减少模块的开关损耗及瞬时过电压值而采用的。虽然IGBT具有强大的开关安全工作区，但需控制瞬时电压值，而缓冲电路在每次开关循环中都可通过IGBT放电，故有一定功耗产生，但能确保使用的安全。
[align=center]图1 通用IGBT缓冲电路[/align]
图1-A仅有一个低电感量的电容器组成，对小功率一单元模块，可接在C和E之间，对六合一封装模块可接P 和N
之间，对减小瞬变电压有效、简单、成本低、适用小功率器件。
图1-B使用快速二极管，它可箝住瞬变电压，从而抑制与母线寄生电感，作减幅振荡。RC为时间常数，设为开关周期1/3（即τ= T/3 =
1/3fz），适用中功率器件。
图1-C类似B图，但具有更小的回路电感，它直接于每个IGBT的C极和E极，并使用一个小型RCD（阻容二极管）效果较好，能抑制缓冲电路的寄生振荡，适用大功率器件具体推荐值见表1。&5
减小功率电路的电感&浪涌电压的能量与1/2LpI
成正比，因此减小Lp是主要的，可选用多层正负交叉，宽偏形迭层母线，包括IGBT间联接，与大电容器的联接等，例大功率变频器的母排等，都采用上述方法，例罗克韦尔A-B公司等变频器就是这样的方法来减小功率电路的电感。&6
接地回路形式&当栅极G驱动或控制信号与主电流共用一个电流路径时，会导致接地回路，这可能出现本应地电位，而实际有几伏的电位值，使本来偏置截止的器件，就可能发生导通，而造成误动作。因此在大功率IGBT应用中，或di/dt很高时，就难发生上述现象的发生，故对不用容量的器件，有下述三种电路见图2。
[align=center]&图2 避免接地回路噪声[/align]
图2-A存在共地回路电位问题的，它的栅极电路地线与主电路（一）母线相通，适用于＜100A六合一封装器件，但仍要高反偏置电压5-15V。
图2-B对下半臂器件选用独立栅极电源供电，采用辅助发射极和就近驱动电源介耦电容的方法，能使接地回路噪声得到最好抑制，适用200A以下模块。
图2-C对下半臂每一个栅极驱动电路，都采用了分离绝缘电源，以消除接地回路的噪音问题，效果更好，适用≥300A的模块。&7
IGBT的损耗&是指IGBT在开通或关断过渡过程期间的功率损耗。当PWM信号频率＞5KHZ时开关损耗会非常显著，因此在变频器使用时，必须正确的选择载波频率值的大小，是件重要的问题。具体如何选值，请参见2001年七期“变频器世界”期刊。此文由张选正撰写的，题目“变频器载波频率值正确选择的依据”一文。
总之载波频率的大小与器件的开关损耗，器件的发热，电流的波形，干扰的大小，电动机噪音和振动等有关的，因此不等功率的电动机和现场条件来正确选择载波频率值大小，亦是属变频器调试中一个主要环节。&8
关于结温的大小&IGBT模块的芯片最大额定结温是150℃，在任何工作条件下，都不允许超过，否则要发生热击穿而造成损坏，一般要留余地，在最恶劣条件下，结温限定在125℃以下，但芯片内结温监测有难度，所以变频器的IGBT模块，都在散热器表面装有温控开关，其值在80-85℃之间，当达到此温度时，即因过热保护动作，从而自动停机，以确保IGBT的安全。亦有用热敏电阻。&9
散热器的安装&IGBT模块直接固定在散热器上，螺钉一定要受力均匀。散热器表面要平整清洁，要求平面度≤150μm，最好用力矩把手表面光洁度≤6μm，在界面要涂传热导电膏，涂层要均匀，厚度约150μm。&10
参数的合理选择&参数的选择一条原则是适当留有余地，这样才能确保长期、可靠、安全地运行。工作电压≤50%-60%，结温≤70-80%在这条件下器件是最安全的。制约因素A、在关断或过载条件下，IC要处于安全工作区，即小于2倍的额定电流值；B、IGBT峰值电流是根据200%的过载和120%的电流脉动率下来制定的；C、结温一定&150℃以下，指在任何情况下，包括过载时。具体选用时可查表2。
A、开通电压15V±10%的正栅极电压，可产生完全饱和，而且开关损耗最小，当&12V时通态损耗加大，&20V时难以实现过流及短路保护。
B、关断偏压-5到-15V目的是出现噪声仍可有效关断，并可减小关断损耗最佳值约为-10V。
C、IGBT不适用线性工作，只有极快开关工作时栅极才可加较低3—11V电压。
D、饱和压降直接关系到通态损耗及结温大小，希望越小越好，但价格就要大。饱和压降从1.7V—4.05V以每0.25—0.3V为一个等级，从C→M十个级。&11
栅极电阻Rg[align=center]&图3 典型的IGBT栅极驱动电路[/align]
它是串接在栅极电路中可见图3。目的是改善控制脉冲前沿，后沿的陡度和防止振荡，减小IGBT集电极电压的尖脉冲值。又因IGBT的开通或关断是通过栅极电路的充放电来实现的，所以Rg的值对动态特性产生极大的影响，具体如下述：
在直流母线电压较高的情况下，也许有必要对这些大电流双单元模块采用图IC所示的缓冲电路。在这种情况下，可选用对单元模给出的推荐组合。
表1 推荐的缓冲电路和功率电路设计
[align=center]&表2 适合AC460/480V线电压应用的IGBT模块[/align]
[align=center]&表3 交流400v马达额定值OC保护设置之要求[/align]
[align=center]&表4 采用的栅极的串联电阻[/align] A、
Rg值小——充放电较快，能减小开关时间和开关损耗，增强工作的耐固性，避免带来因dv/dt的误导通。不足的是承受噪声能力小，易产生寄生振荡，使开通时di/dt变大，增加逐流二极管（FWD）
恢复时的浪涌电压，具体值可参见表4。 B、 Rg值大——性能与上述相反。
栅极驱动的布线对防止潜在振荡，减慢栅极电压上升，减小噪音损耗，降低栅极电压或减小栅极保护电路的效率有较大的影响。要注意事项如下： A、
将驱动器的输出级和IGBT之间的寄生电感减至最低。 B、 驱动板和屏蔽栅极驱动电路要正确放置，以防功率电路和控制电路之间的电感耦合。
C、 采用辅助发射极端子连接栅极驱动电路。 D、
当驱动PCB板和IGBT控制端子不可能作直接连接时，建议用双股绞线（2转/CM小于3CM长）或带状线，同轴线。 E、
栅极箝位保护电路，必须按低电感布线，并尽量放置于IGBT模块的栅极， 发射极控制端子附近。 F、
由于IGBT的开关会使用相互电位改变，PCB板的线条之间彼此不宜太近，
过高的dv/dt会由寄生电容产生耦合噪声。若布线无法避免交叉或平衡时，必须采用屏蔽层，加以保护。 G、
要减少各器件之间的寄生电容，避免产生耦合噪声。 H、
用光耦器来作隔离栅极驱动信号，其最小共模抑制比要在10.000V/μS，栅极回路除上述外而防止栅极电路出现高压尖峰，一般在G、E极间并一个电阻Rge，再并二只反串的稳压二极管，以使工作更可靠、安全、有效。
Rge值在欧之间，见图4。&12
dv/dt及短路保护&在IGBT关断时，栅极要加反向偏置，由于栅极的阻抗很大，该电流令Vge增加，恶劣条件下可达阈值电压时，则IGBT将开通，导致上下臂同时开通使桥臂每一相短路，为防止这现象的发生要注意以下几点：
A、 在断态时要加足够的负栅极电压值至少-5V。 B、 在关断时Rg为较低值（可见表4）。 C、 栅极电路的电感Lg应降至最低。
当短路情况出现时，IGBT要继续维持在短路安全工作区内，其方法有： A、电流传感器
B、欠饱和式但必须能测出短路到关断IGBT时间在10μs之内，常用有三种方法： A、
控制关断—减少栅极电压（有分段或斜坡减少）增加沟道内阻。 B、
Vge箝位—Vge在18V以下，对小功率器件，可在G极与E极之间用齐纳二极管箝位。 C、
减少tw—缩短短路持续时间，但将使关断电流增大。&13
使用注意事项&A、
栅极与任何导电区要绝缘，以免产生静电而击穿，所以包装时将G极和E极之间要有导电泡沫塑料，将它短接。装配时切不可用手指直接接触，直到G极管脚进行永久性连接。
B、 主电路用螺丝拧紧，控制极G要用插件，尽可能不用焊接方式。 C、 装卸时应采用接地工作台，接地地面，接地腕带等防静电措施。 D、
仪器测量时，将100Ω电阻与G极串联。 E、 要在无电源时进行安装。 F、
焊接G极时，电烙铁要停电并接地，选用定温电烙铁最合适。当手工焊接时，温度260℃±5℃，时间（10±1）秒，松香焊剂。波峰焊接时，PCB板要预热80℃—105℃，在245℃时浸入焊接3-4秒，松香焊剂。&14
IGBT的串并联&A、 并联目的是增大使用的工作电流，但器件要匹配，每块Vce之差 &
0.3V，还要降流使用，对600V的降10%Ic，V的降15%Ic，1700V的降20%Ic，这组值指≥200A的模块，并要取饱和压降相等或接近的模块才行。栅控电路要分开，除静态均流外，还有动态均流问题，并使温度相接近，以免影响电流的均衡分配，因IGBT是负阻特性的器件。
串联的目的是增高使用的工作电压，其要求比并联更高，主要是静态均压及动态均压问题，尤其是动态均压有一定难度。成都佳灵公司提出的容性母板技术（1+N）只串联动态电压箝位均压方式已处于工业实验阶段。若动态均压不佳，要造成串联臂各器件上的Vce电压不等，造成一个过压影响同一臂一串电击穿。
总之IGBT的串并联应尽量避免，不要以低压小电流器件，通过串并联企图解决高电压大电流，这样做法往往失得其反，而器件增多可靠性更差，电路亦复杂化等，在不得而已的条件下，要慎重。目今单个IGBT的电压或电流基本能满足用户的需要，随着时代发展电路的改进，将会有更高电压，更大电流的功率器件问世，这是必然的。&15
智能IPM模块&智能IPM模块问世已有十年之久，目今有110KW的模块，可供变频器选用。它是先进的混合集成功率器件，将IGBT、驱动电路、保护电路集成化，因此具有高速、高效、低耗、和优化门极驱动及保护电路，欠压锁定，用电流传感功能芯片，对过流和短路保护，更为优越的，整体的可靠性大为提高。IPM有四种电路形式：单管封装（H），双管封装（D），六合一封装（C），七合一封装（R）。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，减低了在开发和使用中过载情况下损坏的机率，国内外55KW以下的变频器多数采用IPM模块，亦是理所当然的。结温还是125℃，栅控13.5-16.5V之间，就可安全地工作。IPM有：短路保护（SC），过流保护（OC），欠压保护（UV），过热保护（OT），过压保护（OV）等较完全的。有表3可供选用参考。&16
变频专用功率集成模块PIM&最近5年内问世的，专供变频器主电路使用的综合集成功率器件。例德国慕尼黑TYCO公司生产的2.5-66A
1200V系列，4-75A
600V系列，它包含了单相/三相输入整流桥+制动单元（或PFC功率因数单元）+六单元IGBT+NTC温度监测。但不包括驱动电路。有的专业厂例富士等将整流、制动、IGBT、保护、驱动、控制全部一体化集成模块，那样使用更方便、安全、可靠。其特点是：
A、集成全部器件及电路；B、体积小，功率大，损耗低，较稳定；C、优化内部布线，减少寄生噪音；D有完全的自保护电路，具有快速、灵敏；E、唯一不足的是当其中有一个器件坏时，将造成整体的报损，它不同于分离方式模块，只局限于损坏的更换就可。&17
对IGBT的Vge与Vce的加压次序&众所周知变频器内部的测量电路、保护电路、驱动电路、转换电路、隔离电路、CPU、栅极电路等，所用的电子器件，例TTL、COMS、运放、光耦等都由开关电源提供所需的不同电压值，对IGBT来讲Vge是由开关电源提供±5-15V电压，但Vce是由主电路经三相整流桥滤波后的DC电源（P
）提供的，为确保IGBT的使用安全及误导通，故对Vge与Vce加电压次序有要求。必须是先加Vge且待稳定后（截止偏压-15V，导通偏压+15V），再可加Vce。切莫当G极悬空或未稳定时就加Vce（几百一千伏），因为Cgc极间的耦合电容就可将IGBT误导通，以致过高的dv/dt造成电击穿而损坏。为避免上述现象的发生一般用延时电路方法，使Vce延时Vge约0.2秒，这样大大的提高了使用上安全性、可靠性，尤其是中、大功率的器件更应注意的。&18
论&IGBT的使用综合性能是非常优越的，决非其它功率器件所能替代的，因此成为当今逆变电路DC/AC中主要器件，亦是理应所在的。它的弱点是过压、过热、抗冲击、抗干扰等承受力较低，因此在使用时必须正确选择器件的容量，要有完全严格的保护电路，按产品技术性能规定来正确选定各种参数值和保护值，是件非常重要的事，切莫粗枝大叶，否则后患无穷，造成经济损失。只要精心设计，规范运行，是能确保使用中安全性和可靠性，这亦是无疑的。
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