IGBT的选择和保护

1.4.5.1 IGBT的选择

IGBT的选择工作就是使IGBT的性能参数能够满足使用条件，当IGBT应用于通用变频器时，主要的参数选择是电压等级和集电极的电流等级，而其他的参数则很容易确定。

通用变频器主电路包括接到交流电网上的二极管整流桥、直流回路电容滤波环节和逆变环节。IGBT和续流二极管构成逆变环节。而逆变环节的输入电压为经过整流滤波后的直流电压，用U_d来表示，则可求得直流电压U_d如下：

式中 K——电源干扰因子，选K=1.1；

β_v——电压安全系数，选β_v=1.1；

U_in——输入变频器的交流电网电压（V）。

当直流电压升高，超过一定数量时，应该进行过电压保护，取过电压保护动作值为直流电压的1.15倍；同时考虑到IGBT关断时的电压尖峰脉冲为100V，则IG-BT承受的电压峰值U_CEP为

U_CEP=（1.15U_d+100）β_v（1-5）

式中，β_v为仍然为电压安全系数，选为1.1。IGBT的阻断电压值U_CEO和U_CEO（sus）应该大于U_CEP，由此原则选择IGBT的电压值。

IGBT还需要根据电流等级做出选择，假设变频器的设计容量为P，那么应该有如下关系：

式中 P——设计容量，即变频器的输出功率（kW）；

I_o——变频器交流输出的线电流有效值（A）；

U_o——变频器交流输出的线电压有效值（V）。

取变频器输出电压比输入电压降低10%，则有

U_o=0.9U_in（1-7）

根据式（1-6）和式（1-7），得到输出的线电流有效值I_o为

而电流关系如下：

I_C≥2I_oK₁β_I（1-9）

式中 I_C——IGBT的集电极电流（A）；

I_o——变频器输出交流线电流有效值（A）；

K₁——过载能力，选为1.5倍额定值；

β_I——电流安全系数，选β_I=1.5。

【例1-1】已知变频器的交流电网输入电压U_in=440V，变频器的设计容量为P=45kW，试选择IGBT的电压和电流等级。

解

（1）电压等级的选择：根据式（1-4）和式（1-5）有

U_CEP=（1.15U_d+100）β_v=[（1.15×753+100）×1.1]V=1063V所以，选择1200V的管子可以满足要求。

（2）电流等级选择：根据式（1-6）～式（1-9）有(www.xing528.com)

I_C≥（2×1.5×1.5×65.5）A=209A

可见，所选IGBT的集电极电流I_C应该大于209A，而IGBT的电流等级为200A和300A。如果设计的变频器的控制对象为风机水泵类负载，可以选200A的管子。如果设计的变频器的控制对象有大起动转矩要求，选300A的IGBT较为合适。对于300A的IGBT，富士公司生产的1200V/300A的管子有2MBI300N-120、2MBI300S-120和2MBI300U-120，均是很好的选择对象。其中U系列为富士电机第五代IGBT模块，针对欧派克KE3、KF3系列开发的采用场终止（FS）新技术的产品，大大地改进了器件的损耗问题。而N系列IGBT在600V电压等级范围内由于其优势依然不减，在交流220V的电源变换产品中仍占有很大的市场。

1.4.5.2 IGBT的保护

为了使IGBT在厂商规定的安全工作区内可靠地工作，必须对IGBT采取必要的保护措施，比如过电流保护、过电压保护、过热保护等，以便增加系统的可靠性。

1.过电压保护 由于IGBT的开关频率较高，在IGBT关断或反向续流二极管（FWD）反向恢复时，会产生很大的di/dt，使周边的配线电感产生很大的浪涌电压。关断浪涌电压的峰值可由下式求出：

U_CESP=Ed+（^-L_SdI_C/dt）

式中 E_d——直流电源电压；

L_S——主电路的寄生电感；

dI_C/dt——关断时集电极电流变化率的最大值。

U_CESP超过反向偏置安全工作区（RBSOA）或U_CES时即导致破坏。

抑制产生过电压即抑制浪涌电压的方法有下面几种：

（1）在IGBT中加上保护电路（即缓冲电路），吸收浪涌电压。在缓冲电路的电容器中使用薄膜电容，并配置在IGBT附近，使其吸收高频浪涌电压。

（2）调整IGBT的驱动电路的U_GE和R_G，减小di/dt。

（3）尽量将电解电容器配置在IGBT的附近，减小配线电感，如果使用低阻抗型的电容器，则效果更佳。

（4）为了减低主电路和缓冲电路的配线电感，配线要更粗、更短，有时在配线中使用铜条。另外进行并列平板配线（分层配线），使配线低电感化将有很大的效果。

缓冲电路分为两种：一种是在所有的器件上1对1地安装缓冲电路；另一种是在直流母线间安装集中式缓冲电路。最近，以简化缓冲电路为目的，采用集中式缓冲电路的情况正在增多。图1-24给出了集中式缓冲电路的两种应用于变频器的实例，对于C缓冲电路，电路结构简单，但是主电路电感与缓冲电容易产生LC谐振，使母线电压产生振荡；采用另一种RC-VD缓冲电路可以降低母线电压的振荡，在母线配线长的情况下效果明显，但是缓冲二极管选择错误时，则会产生高尖峰电压，或者缓冲二极管的反向恢复时电压也可能产生振荡。

图1-24 集中式缓冲电路实例

a）C缓冲电路 b）RC-VD缓冲电路

2.过电流保护 IGBT在使用中损坏最多的是因过电流而将管子烧坏。导致过电流的原因有许多，表1-3列出了IGBT在通用变频器中产生过电流现象的原因。

图1-25 电流检测器的安装位置

IGBT在过电流时，瞬间损耗非常高，其速度特别快，不可能像晶闸管那样用快速熔断器来保护，广泛使用的方法是使过电流的IGBT很快截止。要想使它很快截止，就要知道何时管子过电流，这就需要加入电流检测元件。目前，小容量通用变频器的电流检测采用电阻器，中、大容量的变频器采用有电流隔离作用的电流检测器。由于电流检测器安装的位置不同，电流检测准确度和方式也不同。图1-25为通用变频器的基本电路和电流检测器的安装位置。方法①：在逆变侧输入端，仅用一个检测器可检测到表1-3中所列的过电流；方法②：接在变频器的输出端，用单个检测器可高准确度地检测不包括一个桥臂短路造成的过电流，在实际的变频器中，往往仅采用两个电流检测器，而另一路电流可以通过检测的两路计算得出；方法③：与每个IGBT串联，用6个检测器可高准确度地检测出表1-3列出的任何原因引起的过电流现象。

表1-3 变频器的过电流原因

一般来说，过电流有两种情况：一种是正常过电流，当电流超过设计者限定的电流时，电流检测器检测到过电流信号，反馈给控制电路，使IGBT截止，以减小电流；另一种是不正常的短路，这时来自电流检测器的反馈信号，产生截止信号，使所有的IGBT截止。对于前一种过电流情况，一般的电流检测器如电流互感器即可满足要求，但是对于短路型过电流，其电流上升很快，当电流互感器还没有响应过来，管子可能已经烧坏了。因此，要使用快速电流检测器，如分流电阻器或霍尔元件。在通用变频器中，除了使用电流检测器进行过电流检测之外，还采用某些具有过电流保护功能的驱动电路。图1-26所示是一种典型的过电流保护电路，它的工作原理如下：

图1-26 过电流保护电路实例

电路通过VD₁对IGBT的集电极-发射极间电压进行常时监视，当导通的时段中，IGBT的集电极-发射极间的电压超出VD₂设定的电压时，被认为是处于短路状态，则V₁导通，V₂、V₃关断。此时，栅极存储的电荷通过R_GE缓慢放电，从而抑制了IGBT关断时产生过大的尖峰电压。