kva高頻逆變電源設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文正文

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　　題 目： 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) </p><p>　　系： 電氣與信息工程系 </p><p>　　專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級： 學(xué)號： &l

2、t;/p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　導(dǎo)師姓名： </p><p>　　完成日期： 年 月 日

3、 </p><p><b>　　湖南工程學(xué)院</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）題目： 2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì) </p><p>　　姓名 系 電氣系 專業(yè)_電氣工程及其自動化

4、班級 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)老師 職稱 教研室主任 </p><p><b>　　基本任務(wù)及要求：</b></p><p>　　主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

5、 a </p><p>　　1、理解逆變電源的工作原理，確定系統(tǒng)主電路 ： </p><p>　　包括主電路結(jié)構(gòu)的選擇，逆變功率器件的選擇 ，參數(shù)計(jì)算 </p><p>　　2、確定系統(tǒng)驅(qū)動電路

6、 </p><p>　　3、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制電路 （包括保護(hù)電路、觸發(fā)電路等） </p><p>　　4、提交畢業(yè)設(shè)計(jì)論文和圖紙 </p&g

7、t;<p><b>　　進(jìn)度安排及完成時(shí)間</b></p><p>　　1、2月20日至3月17日：查閱資料；寫開題報(bào)告;確定總體方案。 </p><p>　　2、3月18日至3月30日：畢業(yè)實(shí)習(xí)、撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告。 a</p><p>　　3、3月3

8、1日至4月16日：確定系統(tǒng)主電路 a</p><p>　　4月17日至4月27日：確定系統(tǒng)驅(qū)動電路 </p><p>　　5、4月28日至6月7日：設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制電路

9、a</p><p>　　6、6月8日至6月14日撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 a</p><p>　　7、6月15日至6月17日：指導(dǎo)老師評閱、電子文檔上傳FTP。 a</p><p>　　8、6月17日至6月20日：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。

10、 a</p><p>　　誠 信 聲 明</p><p><b>　　本人聲明：</b></p><p>　　1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；</p><p>　　2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開

11、發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；</p><p>　　3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。</p><p>　　作者簽名： 日期： 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

12、<b>　　摘 要Ⅰ</b></p><p>　　AbstractⅡ</p><p>　　第1章 緒 論1</p><p>　　1.1逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)的發(fā)展錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　1.2本文的研究意義及主要研究內(nèi)容6</p><p>　　第2章 IGBT特

13、性及應(yīng)用要求8</p><p>　　2.1 IGBT的結(jié)構(gòu)特性8</p><p>　　2.2 IGBT的工作原理和工作特性10</p><p>　　2.3 IGBT的擎住效應(yīng)12</p><p>　　2.3.1擎住效應(yīng)12</p><p>　　2.3.2安全工作區(qū)13</p><p&g

14、t;　　2.4 IGBT的驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)14</p><p>　　2.5集成化IGBT專用驅(qū)動器EXB84117</p><p>　　2.6. 注意事項(xiàng)及EXB841典型應(yīng)用電路20</p><p>　　第3章 高頻逆變電源的主電路21</p><p>　　3.1系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理22</p><p>　

15、　3.1.1主電路的設(shè)計(jì)參數(shù)22</p><p>　　3.1.2系統(tǒng)構(gòu)成圖和主電路圖29</p><p>　　3.1.3 工作原理30</p><p>　　3.2 系統(tǒng)主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.2.1 斬波器的設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.2.2 逆變電路的工作原理33</p&

16、gt;<p>　　第4章 高頻逆變電源的控制電路34</p><p>　　4.1總體設(shè)計(jì)框圖及原理34</p><p>　　4.1.1 總體設(shè)計(jì)框圖34</p><p>　　4.1.2 工作原理:34</p><p>　　4.2 驅(qū)動電路35</p><p>　　4.2.1 驅(qū)動電路圖及工作原

17、理:35</p><p>　　4.2.2. 參數(shù)計(jì)算及選擇36</p><p>　　4.3逆變電路36</p><p>　　4.3.1 控制系統(tǒng)原理框圖及基本思想36</p><p>　　4.3.2 單相全橋逆變電路控制圖及參數(shù)計(jì)算36</p><p>　　4.4 斬波電路39</p><

18、;p>　　4.4.1 控制系統(tǒng)原理框圖及基本思想39</p><p>　　4.4.2 斬波控制電路圖及參數(shù)選擇39</p><p>　　4.5 PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)42</p><p>　　4.5.1 基本原理42</p><p>　　4.5.2參數(shù)選擇及計(jì)算43</p><p>　　第5章 保護(hù)電路

19、44</p><p>　　5.1、IGBT過壓的原因及抑制44</p><p>　　5.1.1 工作原理44</p><p>　　5.1.2 緩沖器回路的設(shè)計(jì)45</p><p>　　5.2 IGBT的過流保護(hù)45</p><p>　　5.2.1 IGBT過流保護(hù)的必要性45</p><

20、p>　　5.2.2 造成短路的原因46</p><p>　　5.2.3設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路的幾點(diǎn)要求47</p><p><b>　　結(jié)束語49</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)50</b></p><p><b>　　致謝51</b></p>

21、;<p>　　2kVA高頻逆變電源設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：本文在分析了IGBT(絕緣柵雙極晶體管)特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一臺容量為2kVA、頻率為20kHz的高頻逆變電源。給出了直流斬波電路及全橋逆變電路的工作原理，此高頻逆變電源可將75~130V的蓄電池直流電壓逆變?yōu)?10V, 20kHz的交流電壓。</p><p>　　對高頻逆變電源的控制主要分兩部分:逆變控制和斬

22、波控制。斬波控制可將75-130V波動的蓄電池直流電壓變成70V的直流電壓。逆變控制可將此直流電壓逆變?yōu)?0V, 20kHz的交流電壓，最后經(jīng)變壓器得到110V, 20kHz的交流電壓。驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)的應(yīng)用更加易行。設(shè)計(jì)中說明了各元件參數(shù)的計(jì)算和選擇方法，提出了對IGBT的短路保護(hù)方案。</p><p>　　關(guān)鍵詞: IGBT; 逆變電源; 斬波器; 短路 <

23、;/p><p>　　Designing of 2kVA High Frequency Inverter Power</p><p>　　Abstract：This paper has designed a inverter power supply of volume 2kVA, working frequency 20kHz, based on that has analyzed the c

24、haracteristic of IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). It was provided the working theory of DC voltage circuit and bridge type invert circuit. The high frequency inverter power can invert 75-130 volt vibrating DC vo

25、ltage which comes from battery charge into 110 volt, 20kHz AC voltage.</p><p>　　The control of high frequency inverter power consists of two parts: Chopper Control and Inverter Control. Chopper Control can c

26、hange 75-130 volt vibrating DC voltage into 70 volt DC voltage and Inverter Control can invert the DC voltage into 70 volt, 20kHz AC voltage, at last, from transformer we can get 110 volt, 20kHz AC voltage. The drive cir

27、cuit is so convenient and easy to use. Every component in the system is designed and chosen. This paper presents the way of shot circuit protection.</p><p>　　Key words: IGBT; inverter power; chopper; sho

28、rt circuit</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　逆變電源運(yùn)用先進(jìn)的功率電子器件和高頻逆變技術(shù)，使傳統(tǒng)的工頻整流電源的材料減少80%，節(jié)能20%，動態(tài)反映速度提高2一3個(gè)數(shù)量級，并向著高頻化、輕量化、模塊化、智能化和大容量化方向發(fā)展。400HZ中頻逆變電源供電系統(tǒng)作為世界各國廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、雷達(dá)、通信、導(dǎo)彈、車輛的標(biāo)

29、準(zhǔn)供電系統(tǒng)，一般為高、精、尖的電子設(shè)備提供工作電源。</p><p>　　1.1逆變電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　逆變電源中實(shí)現(xiàn)電能變換的關(guān)鍵部件是電力電子開關(guān)器件，其特性對變</p><p>　　流電路的性能起著至關(guān)重要的作用。只有具備高性能的開關(guān)器件，才能通過研</p><p>　　究與之相適應(yīng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)控制

30、方式，構(gòu)造出性能優(yōu)良的變流裝置。</p><p>　　因此，從某種意義說，電力開關(guān)器件的發(fā)展決定著電力電子技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　1.1.1恒頻、恒壓逆變電源結(jié)構(gòu)形式的演變</p><p>　　1.以快速晶閘管技術(shù)設(shè)計(jì)的逆變電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　早期的逆變電源，無論是交一交逆變電源還是交一直一交逆變電源，其中</p&g

31、t;<p>　　的逆變橋功率元件主要由快速晶閘管組成，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)整流管導(dǎo)通角的大小，改變直流環(huán)電壓，最終實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒頻、恒壓輸出。這種電源結(jié)構(gòu)有兩個(gè)明顯的缺點(diǎn):一是關(guān)斷晶閘管必須另外加裝電感、電容或輔助開關(guān)器件組成的強(qiáng)迫換流電路，因而電路的控制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，并使得整機(jī)體積重量加大，效率降低;二是這種電路主要立足于分離元件控制，工作頻率的提高也受到限制。現(xiàn)在，這種電源結(jié)構(gòu)己經(jīng)逐漸被其它新型的電源結(jié)構(gòu)所替代。<

32、;/p><p>　　2.以IGBT設(shè)計(jì)的逆變電源結(jié)構(gòu)側(cè)</p><p>　　隨著以IGBT為典型代表的高性能電力電子器件的發(fā)展，與之相適應(yīng)的逆</p><p>　　變電源結(jié)構(gòu)及控制技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。脈寬調(diào)制即（PWM控制方法）具有在一</p><p>　　個(gè)功率級內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓以及調(diào)節(jié)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因而在逆變電源控</p>&l

33、t;p>　　制中得以廣泛應(yīng)用，這種控制電路中，運(yùn)用PWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)逆變電源的恒頻、</p><p>　　恒壓輸出。PWM控制技術(shù)雖然有開關(guān)頻率高造成開關(guān)損耗大的缺點(diǎn)，但這一缺</p><p>　　點(diǎn)由于功率開關(guān)器件性能的不斷提高能夠得以逐漸克服。</p><p>　　3.有源鉗位逆變電源結(jié)構(gòu)3</p><p>　　軟開關(guān)控制技術(shù)的研究，

34、不但解決了硬開關(guān)工作過程中存在的開通和關(guān)</p><p>　　斷時(shí)的能量損耗問題，而且也使得逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化。</p><p>　　一種由場控晶閘管組成的有源鉗位逆變電源結(jié)構(gòu)。電路中，利用諧振元件Lr、Cr以及諧振控制開關(guān)Sr的協(xié)同工作，在逆變器輸入的直流電壓電路中產(chǎn)生諧振，從而把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)化為一系列高頻脈沖電壓波供給逆變橋，最終實(shí)現(xiàn)逆變橋所有器件的ZVS開關(guān)工作。這

35、種電源結(jié)構(gòu)形式的突出優(yōu)點(diǎn)是器件開關(guān)損耗低、電源能量轉(zhuǎn)換效率高，是當(dāng)前逆變電源領(lǐng)域的熱點(diǎn)</p><p>　　1.1．2逆變電源PWM控制技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　1.傳統(tǒng)的PWM控制技術(shù)</p><p>　　PWM脈沖，可通過多種方法，產(chǎn)生，用正弦參考波和三角形載波比較產(chǎn)生PWM制和雙極性調(diào)制。單極性調(diào)制使用單極性三角波和參考波比較產(chǎn)生，而雙極性調(diào)制波形是通過

36、雙極性三角波和參考波比較產(chǎn)生。圖1一4是單極性調(diào)制波形，圖1一5是雙極性調(diào)制波形。</p><p>　　圖1一5雙極性調(diào)制的SPWM波</p><p>　　參考波除用正弦波外，還可以采用矩形波、梯形波等，載波信號也可用鋸</p><p>　　齒波。不同載波和參考波組合時(shí)輸出波形的特點(diǎn)總結(jié)如下:</p><p>　　1.載波為三角波或鋸齒波，參

37、考波為正弦波時(shí)，不會出現(xiàn)相對于參考波頻</p><p><b>　　率的奇次倍諧波。</b></p><p>　　2.載波為三角波或鋸齒波時(shí)，基波的振幅和調(diào)制度成正比。</p><p>　　3.當(dāng)載波為鋸齒波時(shí)，有Ws士2Wo，2Ws，等諧波，。Ws為載波角頻率。 而載波為三角波時(shí)這些諧波不存在。 </p><

38、;p>　　4.三相PWM時(shí)，三相共用一相載波與三相分別有自己對應(yīng)的載波所輸出的諧波不同。與單相載波比較，三相載波時(shí)，雖然Ws士2Wo，2Ws，沒有了，但2Ws分量卻增加了。</p><p>　　5.三相PWM時(shí)，利用線電壓進(jìn)行控制可以提高直流電源的利用率，并且減小開關(guān)頻率。

39、 </p><p>　　6.載波和參考波的頻率對PWM性能也起著至關(guān)重要的作用。若載波與參考波的相位不同步，則相鄰參考波周期內(nèi)的脈沖將是不同的。當(dāng)載波頻率大大小于參考波頻率時(shí)，這種不同步造成的影響可以忽略;當(dāng)兩者頻率接近時(shí)，此時(shí)應(yīng)該用鎖相電路，使參考波與載波之間有固定的相位關(guān)系來克服頻率跳動。</p><p>　　2.新型逆變電源控制技術(shù)&l

40、t;/p><p>　　傳統(tǒng)的PWM技術(shù)重點(diǎn)研究如何通過恰當(dāng)設(shè)計(jì)開關(guān)模式來實(shí)現(xiàn)逆變電源輸出頻譜的優(yōu)化，并沒有考慮信號傳輸過程中開關(guān)點(diǎn)的變化，而且通常只能通過反饋控制來調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值或平均值。 在閉環(huán)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制的逆變電源系統(tǒng)中，要求能在瞬時(shí)或周期性的負(fù)載變動下，輸出低諧波含量的波形:最有效地改善輸出波形及其動態(tài)性能的方案是根據(jù)輸出波形的變化情況來對1鄧加開關(guān)點(diǎn)加以調(diào)整，從而抑制開關(guān)死區(qū)和負(fù)載諧波電流對輸出電壓的影

41、響。近年來，主要有以下幾種方案來研究:</p><p>　　l)電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)‘</p><p><b>　　2)無差拍控制法</b></p><p><b>　　3)自適應(yīng)控制法</b></p><p>　　4)實(shí)時(shí)消除諧波控制法</p><p>　　電流控制兩態(tài)調(diào)制

42、技術(shù)即CCTSM(Currcnt Controlled Two State</p><p>　　Modulation)控制技術(shù)，該方法是讓輸出端的電壓、電流跟蹤給定參考電壓、</p><p>　　電流，最終輸出誤差信號去控制開關(guān)器件，使輸出電壓、電流在給定值的附</p><p>　　近變化，與給定值的誤差取決于滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度。電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):

43、</p><p>　　1)電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)電路簡單，而且性能很好。</p><p>　　2)基于這種技術(shù)控制的電源系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。由于采用了兩個(gè)反饋環(huán):電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)，使得調(diào)制系統(tǒng)對電路參數(shù)的敏感性大大降低，魯棒性明顯提高;而且，由于內(nèi)環(huán)的高度穩(wěn)定性，及電 壓環(huán)的高增益，系統(tǒng)的動態(tài)性能也得到了提高。</p><p>　　3)采用這種系統(tǒng)的逆變器可

44、以很好地并聯(lián)運(yùn)行。只需要簡單地將其中 一個(gè)誤差放大器的輸出作其它并聯(lián)的受控電流放大器的輸入，電流內(nèi)環(huán)就能保證各并聯(lián)裝置平均分配工作電流。</p><p>　　4)這種系統(tǒng)具有內(nèi)在的限流保護(hù)能力。由于功率開關(guān)上的電流被直接反</p><p>　　饋回去調(diào)節(jié)功率開關(guān)的狀態(tài)，并且由于電流內(nèi)環(huán)的快速響應(yīng)能力，使</p><p>　　得功率開關(guān)上的電流完全受控于電流內(nèi)環(huán)的給定

45、值，而這個(gè)給定值由</p><p>　　限幅放大器輸出，因此流過功率開關(guān)的最大電流正比于限幅放大器的</p><p>　　限定值，可以使功率開關(guān)在系統(tǒng)過載甚至短路時(shí)得到保護(hù)，可靠性大</p><p><b>　　大提高。</b></p><p>　　無差拍控制方法是、一種基于微機(jī)實(shí)現(xiàn)的PWM方案。其控制的基本思想是:&l

46、t;/p><p>　　將輸出正弦參考波等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期，根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值，用電路理論計(jì)算出關(guān)于取樣周期中心對稱的方一波脈沖作用下，負(fù)載輸出在取樣周期末尾時(shí)的值。這個(gè)輸出值的大小，與方波脈沖的極性與寬度有關(guān)，適當(dāng)控制力一波脈沖的極性與寬度，就能使負(fù)載上的輸出在取樣周期的末后與輸出參考波形相重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)力一波脈沖的極性與寬度，就能在負(fù)載上獲得諧波失真小的輸出。</p>

47、<p>　　無差拍控制方法具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　l)快速消除系統(tǒng)誤差。它能在負(fù)載發(fā)生突變時(shí)實(shí)時(shí)地修正取樣周期內(nèi)方波脈沖的寬度，以期在取樣周期的末尾盡可能地接近輸出波形。由此可見，這種方法調(diào)節(jié)時(shí)間僅為一個(gè)取樣周期，對誤差消除動作非?？?。</p><p>　　2)由于無差拍控制方程中包含有直流電源電壓E的作用，這為消除直流電源彎化給逆變器輸出造成的影響提供了可能性。

48、</p><p>　　自適應(yīng)控制技術(shù)是指具有適應(yīng)能力的控制器，它適用于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未</p><p>　　知，或者運(yùn)行過程中會發(fā)生變化的情況。在具體工作中，控制器通過連續(xù)地</p><p>　　或周期地對被控對象進(jìn)行在線辨識，然后根據(jù)所獲得的信息，將當(dāng)前的系統(tǒng)</p><p>　　性能與期望的或者最優(yōu)的性能相比較，判斷決定所需的控制器參數(shù)或所

49、需的</p><p>　　控制信號，最后通過修正裝置實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)決策，從而使系統(tǒng)趨向所期望的性能。</p><p>　　自適應(yīng)控制具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　l)自適應(yīng)控制能有效地消除由于周期性的未知的系統(tǒng)特性參數(shù)變化而對</p><p>　　系統(tǒng)輸出造成的影響。</p><p>　　2)自適應(yīng)校正控制具有較快的誤

50、差收斂速度，而且能夠保證系統(tǒng)在人的</p><p>　　負(fù)載擾動下的穩(wěn)定性C</p><p>　　3)自適應(yīng)控制在設(shè)計(jì)時(shí)不必知道被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而只需要在應(yīng)用中用實(shí)時(shí)辨識的模型代林，這使得這種控制方案尤其適用那些系統(tǒng)模型未知或者運(yùn)行過程中會發(fā)生變化的情況。</p><p>　　自適應(yīng)控制具有以下優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　實(shí)時(shí)消諧PWM控

51、制是一種經(jīng)過計(jì)算的控制策略，其基本方法是:通過PWM控制的傅立葉級數(shù)分析，得出傅立葉級數(shù)展開式，以脈沖相位角為未知數(shù)，令某此特定的諧波為零，便得到一個(gè)非線性方程組，該方程組即為消諧PWM模型。按模型求解的結(jié)果進(jìn)行控制，則輸出不含這些特定的低次諧波。 實(shí)時(shí)消諧策略，只需要較少的開關(guān)脈沖數(shù)即可完全消除容量較大的低階高次諧波，取得很好地濾波效果，同時(shí)具有開關(guān)頻率低、開關(guān)損耗小、電壓利用率高、濾波容量小等許多優(yōu)點(diǎn)。和其它1擬從控制技術(shù)相比，一方

52、面能夠克服高頻p叫技術(shù)為消除低次諧波而導(dǎo)致開關(guān)頻率高的缺點(diǎn);另一方面能克服大功率逆變電源中運(yùn)用的波形重構(gòu)技術(shù)為降低諧波含量而導(dǎo)致主電路和控制電路復(fù)雜的缺點(diǎn)。 但是，上述控制方案也有一此不足之處，主要表現(xiàn)在:</p><p>　　電流控制兩態(tài)調(diào)制技術(shù)，電路的開關(guān)頻率較高，且隨精度要求的提高而提高，而且開關(guān)頻率隨其跟隨的輸出幅值變化而變化，諧波成分隨機(jī)分布，故不利于在大功率逆變器中應(yīng)用。無差拍控制方法是基于電路計(jì)算的

53、一種方法，因而對電路中元器件參數(shù)的精度要求很高，故不適于應(yīng)用在負(fù)載經(jīng)常變動的場合。自適應(yīng)控制由于是一種非線性控制方案，其反饋控制的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)模型及穩(wěn)定性分析也非常困難。實(shí)時(shí)消諧控制技術(shù)由于要求實(shí)時(shí)求解消諧模型，因而對控制器的運(yùn)算速度要求極高，目前還未有實(shí)際應(yīng)用。</p><p>　　七十年代以來，飛速發(fā)展的集成電路微細(xì)加工技術(shù)被引入到電力半導(dǎo)體器件制造中來，是使之同高電壓、大電流的設(shè)計(jì)制造技術(shù)相結(jié)合，跨入

54、了功率集成的層次，從而使以晶閘管應(yīng)用為代表的低頻電力電子技術(shù)發(fā)展到高頻電力電子技術(shù)，成為舉世矚目的一種節(jié)能省財(cái)?shù)母呒夹g(shù)?？梢哉f，70年代電力電子器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是大容量，即電流*電壓。80年代電力電子器件發(fā)展的主要目標(biāo)是高頻化，評價(jià)期的標(biāo)準(zhǔn)是功率*頻率。到90年代電力電子器件發(fā)展的主要標(biāo)準(zhǔn)則是高性能，即大容量、高頻率、易驅(qū)動、低損耗。因此，評價(jià)器件的主要標(biāo)準(zhǔn)是容量、開關(guān)速度、驅(qū)動功率、通態(tài)壓降、芯片利用率。[1][2]</p>

55、<p>　　作為在國際上已取得廣泛應(yīng)用電力電子期的前期產(chǎn)品GTO、GTR、MOSFET正向著產(chǎn)品多樣化、結(jié)構(gòu)模塊化、復(fù)合化，特性參數(shù)高電壓、大電流等特點(diǎn)發(fā)展，適用于大容量設(shè)備，但由于其電流增益太低，所需驅(qū)動功率也較大，驅(qū)動復(fù)雜，應(yīng)用受到一定局限。GTR器件已模塊化，在中小容量裝置中得到推廣，但其驅(qū)動功率也較大，開關(guān)速度慢，影響了逆變器的工作頻率與輸出波形；MOSFET器件開關(guān)速度快，驅(qū)動功率小，但器件功率等級低，導(dǎo)通壓降大

56、，限制了逆變器的容量。</p><p>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型的功率電子元件。絕緣柵雙集型晶體管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）便是在GTR和MOSFET之間取其長，避其短而出現(xiàn)的新器件。它實(shí)際上是用MOSFET驅(qū)動雙集型晶體管，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。即高電壓、大電流、開關(guān)速度快、電壓驅(qū)動，驅(qū)動功率小，可采用低

57、成本的集成驅(qū)動電路控制，具有安全工作區(qū)寬，較高的耐短路電流的能力，是一種理想的新型電力電子器件。由于IGBT的特點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大。所有這些表明，對于需要高中壓大電流密度并且開關(guān)頻率在20至50kHz的應(yīng)用領(lǐng)域來說，IGBT是一種很好的選用器件。</p><p>　　電力電子技術(shù)是一門利用電力電子器件對電能控制、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膶W(xué)科，它由電力電子器件、交流電路和控制電路三部分組成，它涉及電力、電子、控制三大電氣工

58、程領(lǐng)域，又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)，已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。各種高頻化全控型器件的不斷問世和迅猛發(fā)展使得電力電子變流電路及其控制系統(tǒng)不斷革新。如，各種脈寬調(diào)制（PWM）電路、零電壓零電流開關(guān)諧振電路以及高頻斬波電路等已成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要組成部分。這些新型電路的主要作用是使直流逆變成各種頻率的交流。電力電子技術(shù)已由當(dāng)年的整流時(shí)代進(jìn)入逆變時(shí)代。</p>

59、<p>　　逆變電源是由電力電子器件、變流電路和驅(qū)動保護(hù)電路三部分組成。電力電子器件是逆變電源的功率器件，是面向負(fù)載的一端；驅(qū)動保護(hù)電路是微電子器件，是面向電子控制的一端；而變流電路則是把兩者結(jié)合在一起進(jìn)行協(xié)調(diào)工作的部分。逆變電源一般分為兩種：一種為恒壓恒頻電路，用于UPS及特種用途等電源裝置；另一種為調(diào)壓調(diào)頻電路，用于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)壓調(diào)頻作為逆變器的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域有了較大的發(fā)展，在一些發(fā)達(dá)國家，已形成了較完整的電力變頻

60、產(chǎn)業(yè)體系。目前，逆變電源正朝向小型化、低噪聲、多功能、智能化、多用途和高可靠性發(fā)展。</p><p>　　1.2高頻電力電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)</p><p>　　許多國家把50HZ或60HZ規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率，這是根據(jù)發(fā)電機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度來確定的。對于一切傳統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)換電氣設(shè)備來說，如電動機(jī)、電抗器、變壓器等，都要根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展和逆變技術(shù)的推廣使用，以及新型高

61、頻鐵磁材料的發(fā)展，人們正在提高這個(gè)工作頻率的范圍，供電頻率的提高，以為著體積、重量的減小[3][4][5]。</p><p>　　電磁感應(yīng)原理指出，感應(yīng)電勢E正比于磁鏈的變化率：</p><p>　　其中，是線圈匝數(shù)，是磁通。</p><p>　　而，S是磁導(dǎo)體的截面積，B是磁通密度。</p><p>　　若B=，即B依正弦變化時(shí)（Bm是峰值

62、磁通密度）</p><p>　　代入上式，則有E=-WSBm</p><p>　　那么， 峰值電壓Vm=WSBm</p><p><b>　　但是， </b></p><p>　　于是V=4.44WSBmf</p><p>　　由此可見，對于確定的磁性材料，磁通密度Bm-選定的，與磁性材料性能相關(guān)

63、的常數(shù)，當(dāng)電壓V取為常數(shù)時(shí)，可見WS之積同供電頻率f成反比，當(dāng)頻率f升高，將帶來WS的減小，W減小意味著體積的減小，S意味著鐵心重量減小。</p><p>　　一般說來，電氣設(shè)備的體積和重量隨著供電頻率的平方根成反比地減小，現(xiàn)代電力電子技術(shù)能把頻率升到20KHZ以上，這就邁過了音頻（6到12KHZ）和超聲頻（12到16KHZ）波段，消除了運(yùn)行中的噪聲和給操作人員帶來的煩惱。按20KHZ設(shè)計(jì)的電氣設(shè)備，其體積、重量

64、只有50HZ同容量設(shè)備的二十分之一，這就是高頻電力電子設(shè)備會產(chǎn)生很高效益的理論來源。</p><p>　　在高頻下，變壓器的重量、體積可以幾十倍地縮小，再在高頻下整流，濾波器大為減輕，紋波也大幅度的減小了?？傊?，采用電力電子新技術(shù)實(shí)現(xiàn)功率變頻，使電氣產(chǎn)品小型化、節(jié)能化、智能化。它所帶來的效益已在科研、軍事、國民經(jīng)濟(jì)中得到廣泛的證實(shí)。</p><p>　　1.3 本課題的提出</p&g

65、t;<p>　　當(dāng)今，交流傳動機(jī)車已遍及世界各大洲，德國、瑞士等國已經(jīng)停止直流機(jī)車的生產(chǎn)。而目前在我國的鐵路上，牽引機(jī)車以直流傳動的內(nèi)燃機(jī)車為主，其次是直流傳動電力機(jī)車，還有少量的蒸汽機(jī)車。這與國際上的先進(jìn)水平相比有著巨大的差距，為了追趕先進(jìn)，縮小差距，鐵道部制定的未來發(fā)展科技政策是：大力發(fā)展電力機(jī)車，合理發(fā)展內(nèi)燃機(jī)車，特別要發(fā)展交流傳動機(jī)車。這是因?yàn)榻涣鱾鲃酉啾戎绷鱾鲃佑泻艽蟮募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢，其效率約高8%，而且，維

66、修費(fèi)用大約是直流傳動的35%。我國是一個(gè)能源相對缺乏的過家，發(fā)展交流傳動機(jī)車對緩解能源緊張，提高經(jīng)濟(jì)效益很有好處。因此，發(fā)展交流傳動機(jī)車成為科研攻關(guān)的重點(diǎn)，本課題就是在這樣的背景下提出的。</p><p>　　第2章 IGBT特性及應(yīng)用要求</p><p>　　2.1 IGBT的結(jié)構(gòu)特性</p><p>　　IGBT是強(qiáng)電流、高壓應(yīng)用和快速終端設(shè)備用垂直功率MOS

67、FET的自然進(jìn)化。由于實(shí)現(xiàn)一個(gè)較高的擊穿電壓BVDSS需要一個(gè)源漏通道，而這個(gè)通道卻具有很高的電阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)數(shù)值高的特征，IGBT消除了現(xiàn)有功率MOSFET的這些主要缺點(diǎn)。雖然最新一代功率MOSFET器件大幅度改進(jìn)了RDS(on)特性，但是在高電平時(shí)，功率導(dǎo)通損耗仍然要比IGBT 技術(shù)高出很多。較低的壓降，轉(zhuǎn)換成一個(gè)低VCE(sat)的能力，以及IGBT的結(jié)構(gòu)，同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)雙極器件相比，可支持更高電流密

68、度，并簡化IGBT驅(qū)動器的原理圖。</p><p><b>　　導(dǎo)通</b></p><p>　　IGBT硅片的結(jié)構(gòu)與功率MOSFET 的結(jié)構(gòu)十分相似，主要差異是IGBT增加了P+ 基片和一個(gè)N+ 緩沖層（NPT-非穿通-IGBT技術(shù)沒有增加這個(gè)部分）。其中一個(gè)MOSFET驅(qū)動兩個(gè)雙極器件。基片的應(yīng)用在管體的P+和N+ 區(qū)之間創(chuàng)建了一個(gè)J1結(jié)。</p>

69、<p>　　當(dāng)正柵偏壓使柵極下面反演P基區(qū)時(shí)，一個(gè)N溝道形成，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)電子流，并完全按照功率MOSFET的方式產(chǎn)生一股電流。如果這個(gè)電子流產(chǎn)生的電壓在0.7V范圍內(nèi)，那么，J1將處于正向偏壓，一些空穴注入N-區(qū)內(nèi)，并調(diào)整陰陽極之間的電阻率，這種方式降低了功率導(dǎo)通的總損耗，并啟動了第二個(gè)電荷流。最后的結(jié)果是，在半導(dǎo)體層次內(nèi)臨時(shí)出現(xiàn)兩種不同的電流拓?fù)洌阂粋€(gè)電子流(MOSFET 電流)； 空穴電流（雙極）。</p>

70、<p><b>　　關(guān)斷</b></p><p>　　當(dāng)在柵極施加一個(gè)負(fù)偏壓或柵壓低于門限值時(shí)，溝道被禁止，沒有空穴注入N-區(qū)內(nèi)。在任何情況下，如果MOSFET電流在開關(guān)階段迅速下降，集電極電流則逐漸降低，這是因?yàn)閾Q向開始后，在N層內(nèi)還存在少數(shù)的載流子（少子）。這種殘余電流值（尾流）的降低，完全取決于關(guān)斷時(shí)電荷的密度，而密度又與幾種因素有關(guān)，如摻雜質(zhì)的數(shù)量和拓?fù)?，層次厚度和溫度?/p>

71、少子的衰減使集電極電流具有特征尾流波形，集電極電流引起以下問題：功耗升高；交叉導(dǎo)通問題，特別是在使用續(xù)流二極管的設(shè)備上，問題更加明顯。鑒于尾流與少子的重組有關(guān)，尾流的電流值應(yīng)與芯片的溫度、IC 和VCE密切相關(guān)的空穴移動性有密切的關(guān)系。因此，根據(jù)所達(dá)到的溫度，降低這種作用在終端設(shè)備設(shè)計(jì)上的電流的不理想效應(yīng)是可行的。 </p><p><b>　　反向阻斷</b></p>&l

72、t;p>　　當(dāng)集電極被施加一個(gè)反向電壓時(shí)， J1 就會受到反向偏壓控制，耗盡層則會向N-區(qū)擴(kuò)展。因過多地降低這個(gè)層面的厚度，將無法取得一個(gè)有效的阻斷能力，所以，這個(gè)機(jī)制十分重要。另一方面，如果過大地增加這個(gè)區(qū)域尺寸，就會連續(xù)地提高壓降。</p><p>　　第二點(diǎn)清楚地說明了NPT器件的壓降比等效（IC 和速度相同） PT 器件的壓降高的原因。</p><p><b>　　

73、正向阻斷</b></p><p>　　當(dāng)柵極和發(fā)射極短接并在集電極端子施加一個(gè)正電壓時(shí)，P/N J3結(jié)受反向電壓控制。此時(shí)，仍然是由N漂移區(qū)中的耗盡層承受外部施加的電壓。閂鎖</p><p>　　IGBT在集電極與發(fā)射極之間有一個(gè)寄生PNPN晶閘管。在特殊條件下，這種寄生器件會導(dǎo)通。這種現(xiàn)象會使集電極與發(fā)射極之間的電流量增加，對等效MOSFET的控制能力降低，通常還會引起器件

74、擊穿問題。晶閘管導(dǎo)通現(xiàn)象被稱為IGBT閂鎖，具體地說，這種缺陷的原因互不相同，與器件的狀態(tài)有密切關(guān)系。通常情況下，靜態(tài)和動態(tài)閂鎖有如下主要區(qū)別：</p><p>　　(1) 當(dāng)晶閘管全部導(dǎo)通時(shí)，靜態(tài)閂鎖出現(xiàn)。</p><p>　　(2) 只在關(guān)斷時(shí)才會出現(xiàn)動態(tài)閂鎖。這一特殊現(xiàn)象嚴(yán)重地限制了安全操作區(qū) 。</p><p>　　為防止寄生NPN和PNP晶體管的有害現(xiàn)象，

75、有必要采取以下措施：</p><p>　　(3) 防止NPN部分接通，分別改變布局和摻雜級別。</p><p>　　(4) 降低NPN和PNP晶體管的總電流增益。</p><p>　　此外，閂鎖電流對PNP和NPN器件的電流增益有一定的影響，因此，它與結(jié)溫的關(guān)系也非常密切；在結(jié)溫和增益提高的情況下，P基區(qū)的電阻率會升高，破壞了整體特性。因此，器件制造商必須注意將集電

76、極最大電流值與閂鎖電流之間保持一定的比例，通常比例為1：5。</p><p><b>　　正向?qū)ㄌ匦?lt;/b></p><p>　　在通態(tài)中，IGBT可以按照“第一近似”和功率MOSFET驅(qū)動的PNP晶體管建模。IC是VCE的一個(gè)函數(shù)（靜態(tài)特性），假如陰極和陽極之間的壓降不超過0.7V，即使柵信號讓MOSFET溝道形成，集電極電流IC也無法流通。當(dāng)溝道上的電壓大于VG

77、E -Vth 時(shí)，電流處于飽和狀態(tài)，輸出電阻無限大。由于IGBT結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)雙極MOSFET和一個(gè)功率MOSFET，因此，它的溫度特性取決于在屬性上具有對比性的兩個(gè)器件的凈效率。功率MOSFET的溫度系數(shù)是正的，而雙極的溫度系數(shù)則是負(fù)的。本圖描述了VCE(sat) 作為一個(gè)集電極電流的函數(shù)在不同結(jié)溫時(shí)的變化情況。當(dāng)必須并聯(lián)兩個(gè)以上的設(shè)備時(shí)，這個(gè)問題變得十分重要，而且只能按照對應(yīng)某一電流率的VCE(sat)選擇一個(gè)并聯(lián)設(shè)備來解決問題。有

78、時(shí)候，用一個(gè)NPT進(jìn)行簡易并聯(lián)的效果是很好的，但是與一個(gè)電平和速度相同的PT器件相比，使用NPT會造成壓降增加。</p><p>　　2.2 IGBT的工作原理和工作特性</p><p>　　IGBT 的開關(guān)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(dǎo)通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動方法和 M

79、OSFET 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。 </p><p>　　當(dāng) 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(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小 N 一層的電阻，使 IGBT 在高電壓時(shí)，也具有低的通態(tài)電壓。 </p><p>　　IGBT 的工作特性包括靜態(tài)和動態(tài)兩類： </p><p>

80、;　　1 靜態(tài)特性 IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 </p><p>　　IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓 Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓 Ugs 的控 制， Ugs 越高， Id 越大。它與 GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū)、放大區(qū)和擊穿特性三部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的 IGBT ，正向電壓由 J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由 J1 結(jié)承擔(dān)。如

81、果無  N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入 N+ 緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。 </p><p>　　IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流 Id 與柵源電壓 Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與 MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓 Ugs(th) 時(shí)， IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在 IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id

82、與 Ugs 呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V 左右。 </p><p>　　IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的 PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其 B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過 MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓 Uds(on) 可用下式表示 ：</p><p&

83、gt;　　Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh </p><p>　　式中 Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為 0.7 ～ IV ； </p><p>　　Udr ——擴(kuò)展電阻 Rdr 上的壓降； </p><p>　　Roh ——溝道電阻。 </p><p>　　通態(tài)電流 Ids 可用下式表示： </

84、p><p>　　Ids=(1+Bpnp)Imos         </p><p>　　式中 Imos ——流過 MOSFET 的電流。 </p><p>　　由于 N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以 IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V 的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～3V 。 </p&g

85、t;<p>　　IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。 </p><p>　　2 動態(tài)特性 IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為 MOSFET來運(yùn)行的，只是在漏源電壓 Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。 td(on) 為開通延遲時(shí)間，tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間 ton 即為 td (on)tri之和。漏源

86、電壓的下降時(shí)間由 tfe1和tfe2 組成。 如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 IGBT開通時(shí)的電流、電壓波形</p><p>　　IGBT 在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)?MOSFET 關(guān)斷后， PNP 晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時(shí)間， td(off) 為關(guān)斷延遲時(shí)間， trv 為電壓 Uds(f) 的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常

87、給出的漏極電流的下降時(shí)間  Tf  由圖 2.2中的  t(f1)  和 t(f2) 兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間 </p><p>　　t(off)=td(off)+trv 十 t(f) </p><p>　　式中， td(off) 與 trv 之和又稱為存儲時(shí)間。       

88、0;                 </p><p>　　圖2.2 IGBT關(guān)斷時(shí)的電流、電壓波形</p><p>　　2.3 IGBT的擎住效應(yīng)</p><p>　　2.3.1擎住效應(yīng) </p>

89、;<p>　　在分析擎住效應(yīng)之前，我們先回顧一下 IGBT 的工作原理（這里假定不發(fā)生擎住效應(yīng)）。 </p><p>　　1 當(dāng) Uce ＜ 0 時(shí)， J3 反偏，類似反偏二極管， IGBT 反向阻斷； </p><p>　　2 當(dāng) Uce ＞ 0 時(shí)，在 Uc<Uth 的情況下，溝道未形成，  IGBT 正向阻斷；在 U 。＞ Uth 情況下，柵極

90、的溝道形成，N+ 區(qū)的電子通過溝道進(jìn)入 N 一漂移區(qū)，漂移到 J3 結(jié)，此時(shí) J3 結(jié)是正偏，也向 N 一區(qū)注入空穴，從而在 N 一區(qū)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制，使 IGBT 正向?qū)ā?</p><p>　　3 IGBT 的關(guān)斷。在IGBT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，當(dāng)柵極電壓減至為零，此時(shí) Ug ＝ 0 ＜ Uth ，溝道消失，通過溝道的電子電流為零，使 Ic 有一個(gè)突降。但由于 N 一區(qū)注入大量電子、空穴對， IC 不會立刻為零，

91、而有一個(gè)拖尾時(shí)間。</p><p>　　圖2.3 具有寄生晶體管的IGBT等效電路</p><p>　　IGBT 為四層結(jié)構(gòu)，體內(nèi)存在一個(gè)奇生晶體管，其等效電路如圖 2 .3所示。在 V2 的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)擴(kuò)展電阻 Rbr ，在此電阻上 P 型體區(qū)的橫向空穴會產(chǎn)生一定壓降，對 J3 結(jié)來說，相當(dāng)于一個(gè)正偏置電壓。在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不大， V2 不起作用，當(dāng) I

92、d 大到一定程度時(shí)，該正偏置電壓足以使 V2 開通，進(jìn)而使 V2 和 V3 處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶體管開通，柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng) .IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流增大，造成過高功耗，導(dǎo)致?lián)p壞?？梢姡O電流有一個(gè)臨界值 Idm 。，當(dāng) Id ＞ Idm 時(shí)便會產(chǎn)生擎住效應(yīng)。 </p><p>　　在 IGBT 關(guān)斷的動態(tài)過程中，假若 dUds／dt 過高，那么在 J2 結(jié)中引起的位移電流&

93、#160;Cj2（dUds/d t ）會越大，當(dāng)該電流流過體區(qū)擴(kuò)展電阻 Rbr 時(shí)，也可產(chǎn)生足以使晶體管 V2 開通的正向偏置電壓，滿足寄生晶體管開通擎住的條件，形成動態(tài)擎住效應(yīng)。使用中必須防止 IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)，為此可限制 Idm 值，或者用加大柵極電阻 Rg 的辦法延長  IGBT 關(guān)斷時(shí)間，以減少dUds/dt值。 </p><p>　　值得指出的是，動態(tài)擎住所允許的漏極電流比靜態(tài)

94、擎住所允許的要小，放生產(chǎn)廠家所規(guī)定的） Id 值是按動態(tài)擎住所允許的最大漏極電流來確定的。 </p><p>　　2.3.2安全工作區(qū) </p><p>　　安全工作區(qū)（SOA）反映了一個(gè)晶體管同時(shí)承受一定電壓和電流的能力。 IGBT 開通時(shí)的正向偏置安全工作區(qū)（ FBSOA ），由電流、電壓和功耗三條邊界極限包圍而成。最大漏極電流  Idm 是根據(jù)避免動態(tài)擎住而設(shè)定的

95、，最大漏源電壓 Udsm是由IGBT 中晶體管 V3 的擊穿電壓所確定，最大功耗則是由最高允許結(jié)溫所決定。導(dǎo)通時(shí)間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)則越窄，如圖2.4所示。  </p><p>　　圖2.4 IGBT的安全工作區(qū)</p><p>　　a)IGBT的正向偏置 b)IGBT的反向偏置</p><p>　　IGBT 的反向偏置安全工作區(qū)（RBS

96、OA）如圖 2.4b 所示，它隨 IGBT 關(guān)斷時(shí)的d Uds／dt 而改變，d Uds／ dt 越高， RBSOA 越窄。</p><p>　　2.4 IGBT的驅(qū)動與保護(hù)技術(shù)</p><p>　　因?yàn)镮GBT的輸入特性與MOSFET的輸入特性非常相似，輸入阻抗均呈容性，都屬電壓驅(qū)動，都具有一定的開啟電壓，因而兩者的驅(qū)動原理相同。在驅(qū)動IGBT時(shí)，IGBT的

97、靜態(tài)和動態(tài)特性與柵極驅(qū)動密切相關(guān)，柵極的正偏壓十Uge,負(fù)偏壓一Uge和柵極電阻Rg的大小，對IGBT的通態(tài)電壓，開關(guān)時(shí)間，開關(guān)損耗，承受短路能力以及DUds/dt等參數(shù)都有不同程度的影響，下面分別討論驅(qū)動條件對各種特性參數(shù)的影響情況:： </p><p>　　圖2.5 正偏置電壓UGE（ON）與UCE和EON的關(guān)系</p><p>　　正偏置電壓 Uge 增加，通態(tài)電壓下降，開通能耗 E

98、on 也下降，分別如圖 2.5a和b 所示。由圖中還可看出，若+Uge 固定不變時(shí)，導(dǎo)通電壓將隨漏極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫升高而升高。</p><p>　　負(fù)偏置電壓 Uge增高時(shí)漏極電流明顯下降，為了IGBT的可靠工作，通常在關(guān)斷時(shí)加一負(fù)偏壓，一般為一V5左右。</p><p>　　圖2.6 –UGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系</p><p&g

99、t;　　a)-UGE與集電極浪涌電流關(guān)系 b)-UGE與關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系</p><p>　　門極電阻 Rg  增加，將使 IGBT 的開通與關(guān)斷時(shí)間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減少，則又使 di/dt 增大，可能引發(fā) IGBT 誤導(dǎo)通，同時(shí) Rg 上的損耗也有所增加。為了改善柵極控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減小集電極電流上升率，需要在柵極回路中串聯(lián)電阻Rg。柵極電阻Rg的取

100、值要適當(dāng)，從減小電流上升率、防止器件損壞方面考慮，凡選得大一些好，但Rg增大會使IGBT的開關(guān)時(shí)間增加，進(jìn)而使開關(guān)損耗增加，因此，應(yīng)根據(jù)IGBT的電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇合適的Rg阻值。一般應(yīng)選擇在十幾歐至幾百歐之間。</p><p>　　由上述不難得知： IGBT 的特性隨門板驅(qū)動條件的變化而變化 , 就象雙極型晶體管的開關(guān)特性和安全工作區(qū)隨基極驅(qū)動而變化一樣。但是 IGBT 所有特性不能同時(shí)

101、最佳化。 </p><p>　　(2)IGBT的保護(hù)</p><p>　　由于IGBT與MOSFET一樣具有極高的輸入阻抗，容易造成靜電擊穿，故在存放和測試時(shí)應(yīng)采取防靜電措施。將IGBT用于電力變換時(shí)，為了保證安全運(yùn)行，防止異?，F(xiàn)象造成器件損壞，必須采取完備的保護(hù)措施。常用的保護(hù)措施有:</p><p>　　通過檢出的過電流信號切斷柵極信號，實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù);<

102、/p><p>　　利用緩沖電路抑制過電壓，并限制過高的du/dt;</p><p>　　利用溫度傳感器檢測IGBT的外殼溫度，當(dāng)超過允許溫度時(shí)主電路跳閘，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。</p><p>　　雙極型晶體管的開關(guān)特性隨基極驅(qū)動條件（ Ib1，Ib2）而變化。然而，對于 IGBT 來說，正如圖2.6 所示，門極驅(qū)動條件僅對其關(guān)斷特性略有影響。因此，我們應(yīng)將更多的注意力放在 I

103、GBT 的開通、短路負(fù)載容量上。 </p><p>　　對驅(qū)動電路的要求可歸納如下 </p><p>　　(1) IGBT與 MOSFET 都是電壓驅(qū)動，都具有一個(gè)2.5～ 5V  的閾值電壓，有一個(gè)容性輸入阻抗，因此 IGBT 對柵極電荷非常敏感故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與 IGBT 的連線要盡量短。 </p>

104、<p>　　(2) 用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓 Uge, 有足夠陡的前后沿，使 IGBT 的開關(guān)損耗盡量小。另外，IGBT 開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的功率，使 IGBT 不退出飽和而損壞。 </p><p>　　(3) 驅(qū)動電路要能傳遞幾十kHz 的脈沖信號。 </p><p>　　(4) 驅(qū)動電平十 Uge 也必須綜合考慮。＋ Uge 增大時(shí)，I

105、GBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時(shí)的 Ic 增大， IGBT 能承受短路電流的時(shí)間減小，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中 Uge 應(yīng)選得小些，一般選12 -15V 。 </p><p>　　(5) 在關(guān)斷過程中，為盡快抽取  PNP 管的存儲電荷，須施加一負(fù)偏壓 Uge,   但它受 IGBT 的 G 、E 間最大反向耐壓限制，一般取 -1v — -10V 。 <

106、;/p><p>　　(6) 在大電感負(fù)載下， IGBT 的開關(guān)時(shí)間不能太短，以限制出 di/dt 形成的尖峰電壓，確保 IGBT 的安全。 </p><p>　　(7) 由于 IGBT 在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。 </p><p>　　(8) IGBT 的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，最好自身帶有對 IGBT 的保護(hù)功能，以

107、增強(qiáng)抗干擾能力。</p><p>　　2.5集成化IGBT專用驅(qū)動器EXB841</p><p>　　現(xiàn)在，大電流高電壓的IGBT己模塊化，它的驅(qū)動電路除上面介紹的由分立元件構(gòu)成之外，現(xiàn)在己制造出集成化的IGBT專用驅(qū)動電路。其性能更好，整機(jī)的可靠性更高及體積更小。</p><p>　　圖2.7 EXB系列集成驅(qū)動器的內(nèi)部框圖</p><p&g

108、t;　　a）EXB850，851（標(biāo)準(zhǔn)型）b）EXB840，841（高速型）</p><p>　　集成化驅(qū)動電路的構(gòu)成及性能</p><p>　　下面以富士電機(jī)公司EXBj系列驅(qū)動器為例加以介紹。EXB850(851 )為標(biāo)準(zhǔn)型(最大10kHz運(yùn)行)，其內(nèi)部電路框圖如圖2.7所示。它為直插式結(jié)構(gòu)，額定參數(shù)和運(yùn)行條件可參考其使用手冊。EXB系列驅(qū)動器的各引腳功能如下:</p>

109、<p>　　腳1:連接用于反向偏置電源的濾波電容器;</p><p>　　腳2:電源(-I- 20V);</p><p><b>　　腳3:驅(qū)動輸出;</b></p><p>　　腳4:用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動作(大多數(shù)場合不需要該電容器);</p><p>　　腳5:過流保護(hù)輸出;</

110、p><p>　　腳6:集電極電壓監(jiān)視;</p><p><b>　　腳7, 8:不接;</b></p><p><b>　　腳9:電源;</b></p><p>　　腳10, 11:不接;</p><p>　　腳14, 15:驅(qū)動信號輸入(一，+);</p><

111、;p>　　由于本系列驅(qū)動器采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離，因此用于交流380V</p><p><b>　　的動力設(shè)備上。</b></p><p>　　IGBT通常只能承受l0µs的短路電流，所以必須有快速保護(hù)電路。EXB系列驅(qū)動器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路，根據(jù)驅(qū)動信號與集電極之間的關(guān)系檢測過電流，其檢測電路如圖2.8所示。當(dāng)集電極電壓高時(shí)，雖然加