先介紹一些IGBT的前沿應(yīng)用

1、IGBT應(yīng)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(shù)量成千上萬(wàn)個(gè)，模塊的單價(jià)約人民幣1萬(wàn)。還需要大量的高壓大容量薄膜電容。這兩項(xiàng)是變流器的主要材料成本。變流器的材料成本是億元計(jì)算的。當(dāng)然，與高壓交流輸變電相比，由于節(jié)能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益極其可觀。目前，國(guó)家電科院正在研發(fā)。

2、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償SVC（包含諧波治理），目前主要用于中壓（6KV――35KV）電網(wǎng)，主電路拓?fù)渑c直流輸變電類(lèi)似，控制方式不同。由于電壓等級(jí)低于高壓直流輸變電，其材料成本也相對(duì)低一些。國(guó)內(nèi)有少數(shù)公司在研發(fā)。國(guó)家電科院正在研發(fā)或已經(jīng)有樣機(jī)運(yùn)行。

3、高壓變頻器，驅(qū)動(dòng)高壓交流電機(jī)，主流電壓等級(jí)為6KV和10KV（電機(jī)電壓等級(jí)劃分與電網(wǎng)電壓等級(jí)劃分是不一樣的），驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率從幾百KW到幾萬(wàn)KW。主要用于節(jié)能，經(jīng)濟(jì)效益好，一般運(yùn)行2年之內(nèi)即可收回設(shè)備投資。已經(jīng)在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用，為節(jié)能減排作出了重要貢獻(xiàn)。國(guó)家有相應(yīng)的政策支持，國(guó)內(nèi)在做高壓變頻器的公司估計(jì)遠(yuǎn)超100家，絕大多數(shù)是民營(yíng)公司，由于技術(shù)門(mén)檻比較高，技術(shù)過(guò)關(guān)的不超過(guò)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(dòng)了該項(xiàng)目。

4、電力機(jī)車(chē)牽引，鐵路機(jī)車(chē)（如高鐵），地鐵，礦山運(yùn)輸電力機(jī)車(chē)，磁懸浮。這方面基本由國(guó)企壟斷。

5、新能源的（并網(wǎng)）變流器：風(fēng)能發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電（光伏），風(fēng)能的功率等級(jí)一般在幾兆瓦，光伏的功率等級(jí)在幾百KW。新能源的（并網(wǎng)）變流器的應(yīng)用前景很好，屬于快速增長(zhǎng)期。

6、電動(dòng)車(chē)電機(jī)調(diào)速，要求4象限運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境惡劣，寬溫度范圍，快速動(dòng)態(tài)變化。能否大面積推廣取決于動(dòng)力電池。

第一個(gè)問(wèn)題：IGBT的過(guò)流和短路及其保護(hù)

英飛凌技術(shù)資料【短路類(lèi)型及保護(hù).pdf】第四頁(yè)

縱坐標(biāo)是集電極電流與其額定電流的比值，即倍數(shù)；橫坐標(biāo)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(guò)流，此時(shí)IGBT工作在飽和區(qū)，IGBT過(guò)流是可以有條件重復(fù)發(fā)生的，條件是結(jié)溫不超過(guò)允許的最高運(yùn)行結(jié)溫，時(shí)間小于1毫秒。

當(dāng)進(jìn)入放大區(qū)時(shí)，即IC不隨VCE的升高而變化時(shí)，定義為短路。短路在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是不允許重復(fù)的。

從過(guò)流到短路的之間的彎曲的線定義為過(guò)渡區(qū)。

柵電壓如果在13V－15V，短路時(shí)VCE＞6V，短路電流是額定電流的3－5倍，可承受的最長(zhǎng)時(shí)間為10微秒，英飛凌確認(rèn)IGBT不會(huì)損壞，是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的；如果柵電壓超過(guò)15V，電流就會(huì)超過(guò)5倍額定電流，10微秒，英飛凌不確認(rèn)IGBT不會(huì)損壞，未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證。

頂起！

有很多成品IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，IC級(jí)的有HCPL-316J、PC929等等；厚膜電路有841，57962等等；PCB板級(jí)有賽米控（西門(mén)康）、CONSEPT等等。這些IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路都是用于短路保護(hù)的，它們共同的做法是檢測(cè)VCE，當(dāng)VCE足夠高，IGBT進(jìn)入放大區(qū)，也就是說(shuō)IGBT進(jìn)入短路時(shí)，保護(hù)動(dòng)作才發(fā)生。然后驅(qū)動(dòng)輸出就鎖死，有些電路在一定時(shí)間（微秒或毫秒級(jí)）后自動(dòng)解鎖；有些電路需要外部解鎖信號(hào)。由于IGBT短路在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)是不允許重復(fù)的，所以，在使用可自動(dòng)解鎖的電路時(shí)，外部控制電路在接收到驅(qū)動(dòng)故障信號(hào)后，必需封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，才能可靠保護(hù)IGBT。

這些成品IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的故障（短路）檢測(cè)端是通過(guò)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(huì)有RC濾波，以免誤報(bào)驅(qū)動(dòng)故障。各種產(chǎn)品電路設(shè)置的保護(hù)閾值不同，閾值高則不易受干擾，保護(hù)靈敏度下降，保護(hù)動(dòng)作稍微滯后。閾值低則易受干擾，保護(hù)靈敏度高，易受干擾發(fā)生誤保護(hù)。例如，HCPL316J的保護(hù)閾值為7V，很容易受干擾，因此原廠建議采用如下電路參數(shù)（Cb增加到1000P，增加Rb），增強(qiáng)抗干擾。而PC929的閾值為9.5V（驅(qū)動(dòng)正壓+15V時(shí)），抗干擾就好得多。

這一塊知識(shí)還是在黃俊老師和王兆安老師主編的《電力電子技術(shù)》這本書(shū)學(xué)的，現(xiàn)在在詳細(xì)聽(tīng)旅長(zhǎng)的講解。

第二個(gè)問(wèn)題：IGBT的尖峰電壓及其保護(hù)

大功率IGBT模塊一般不會(huì)用于單端反激電路，因此在討論這個(gè)問(wèn)題時(shí)僅限于半橋、全橋和三相橋硬開(kāi)關(guān)電路拓?fù)洹?/span>

IGBT在快速關(guān)斷時(shí)，集電極電流快速下降，會(huì)產(chǎn)生VCE的尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于多個(gè)因素，第一是關(guān)斷時(shí)的集電極電流大??；第二是關(guān)斷的速度；第三是IGBT電流回路的導(dǎo)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(tài)的需要決定的，不可改變；減慢關(guān)斷速度可以降低尖峰電壓，但是，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)明顯增加，代價(jià)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(nèi)部的電感，也是我們無(wú)法改變的，但是，我們可以選擇內(nèi)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(nèi)部引線電感就比較大；新型封裝如下圖，

求驅(qū)動(dòng)講解

旅長(zhǎng)：

你好，我有一個(gè)問(wèn)題，以INFINEON的400A模塊為列，

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

加上二極管的壓降后，316J的通態(tài)電壓檢測(cè)引腳desat也只有3.7V，

我想不明白desat引腳上的電壓為何會(huì)達(dá)到7V？

期待你的答復(fù)，謝謝。

desat引腳上的電壓為何會(huì)達(dá)到7V？

是因?yàn)楦蓴_，你用示波器直接觀察，可以看到干擾的尖峰電壓達(dá)到了7V。

呵呵，謝謝

我還問(wèn)一下，你指的干擾是由引線電感/IGBT內(nèi)部雜散電感與電容產(chǎn)生出來(lái)的，還是由于其他因素產(chǎn)生的？

呵呵，非常感謝旅長(zhǎng)

對(duì)于316J的短路保護(hù)時(shí)間的計(jì)算，假定電源為+15V和-7.5V，

在IGBT運(yùn)行前就短路，那短路響應(yīng)時(shí)間是不是

就可以采用t = -Rb*Cb*ln[(15V-7V)/(15V+7.5V)]來(lái)計(jì)算，是不是就可以忽略316J內(nèi)部的250uA的充電電流?

還是就是短路保護(hù)時(shí)間的確定，我看到過(guò)有人選用3uS，還有人用6～7uS，

我不太理解短路時(shí)不同的保護(hù)時(shí)間對(duì)IGBT影響的差異？

旅長(zhǎng)，

變頻器中的IGBT，3個(gè)橋臂（假定為U、V、W）之間的開(kāi)通與關(guān)斷存在死區(qū)時(shí)間，大約為3uS，

當(dāng)U相上半橋關(guān)閉后，延時(shí)3uS，V相上半橋才會(huì)開(kāi)通，

此時(shí)U相上半橋關(guān)閉時(shí)，所產(chǎn)生的尖峰電壓已經(jīng)不存在，

316J是不是就已經(jīng)不受尖峰電壓的傳導(dǎo)干擾？

同一橋臂的上下管有死區(qū)，兩個(gè)橋臂之間是沒(méi)有死區(qū)的。

IGBT短路時(shí)會(huì)快速溫升，會(huì)影響其壽命，所以盲區(qū)時(shí)間不要太長(zhǎng)。

旅長(zhǎng)！

我還有一個(gè)問(wèn)題，如果我的半橋中的下半橋也采用檢測(cè)Vce壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，母線上的尖峰電壓是如何通過(guò)二極管的結(jié)電容傳導(dǎo)至316J的檢測(cè)引腳？

現(xiàn)在假設(shè)二極管的結(jié)電容等于5PF, Cb = 1000pf, 尖峰電壓傳導(dǎo)至Cb上的電壓為

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

IGBT任何兩個(gè)極之間都有電容，內(nèi)置快速二極管也有電容。干擾可以通過(guò)這些電容傳導(dǎo)到下管。

“V*5PF/(5PF+1000PF)”，這樣的計(jì)算是不準(zhǔn)確的，因?yàn)镮GBT下管各電極間也有電容。

另外，一般取樣二極管的結(jié)電容有十幾P。