當今,小氬弧焊機實際上沒有技術,但有些朋友仍在找,我本想用“研討”這詞,太嚴肅了,改為“亂彈”,目的想話躍論壇, 能夠讓焊機愛好者,維修人士有一個免費的,認真,務實的技術學習,交流的帖子.凡是想學,想修的網(wǎng)友我將盡力回帖,共同促進逆變爐焊機的普及.
言歸話題,實用、可靠、低成本的逆變TIG-160氬焊機應如何做呢?將我的心得列了9個問題,今天先列3個,供大家參考:
1, 外型尺寸:選185*285*385mm.調(diào)正或改動有空間.過小,總機成本反而增大.
2, 逆變主電路;輸出電流小于70A選單端開關電路略好,但實用性差.輸出電流大于80A選全橋電路絕對優(yōu)越.
3, 整流濾波:單相220V電整流后紋波系數(shù)0.45,必需濾波.電容用多大?計算麻煩.列一個估算辦法供參考:每輸出1W;單端電路取1微法,全波取0.5微法.
實用、可靠、低成本的逆變TIG-160氬焊機亂彈
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@挹江
我想你說的就是RL小機器.從電路上仿制,能做的人很多.但大批量生產(chǎn)必須解決的三個問題.1.關鍵材料的一致性.既材料的采購渠道和檢驗方法.2.關鍵部件的一致性.既部件的裝配調(diào)試工藝3.整機的一致性.整機的裝配調(diào)試工藝.另外原設計的PCB調(diào)試點設置,高壓引弧PCB,脈沖變壓器,主變的采用,PCB的可換性等都有可改進的地方.說起來東西不多,但要把每個細節(jié)做好,也不容易.一點體會,供參考.
謝謝板主!幾年前決策小焊機制作時深刻研討過RL電路,線路是典型可靠.若全仿,我擔心加入RL的影子部隊!所以我要設計新結(jié)構(gòu)及變壓器、易于裝修的PCB板等,很有挑戰(zhàn)性.
例如;我們制作電抗器用E65B鐵氧體,氣隙2MM,用鋁扁線3*8繞9T,我同RL的二個環(huán)鐵粉芯對比,效果相似,成本10元夠了.初期試制,我用霍耳UGN3503插入氣隙驗了飽和數(shù)據(jù),批量生產(chǎn)的自制器件一定要心中有數(shù).
例如;我們制作電抗器用E65B鐵氧體,氣隙2MM,用鋁扁線3*8繞9T,我同RL的二個環(huán)鐵粉芯對比,效果相似,成本10元夠了.初期試制,我用霍耳UGN3503插入氣隙驗了飽和數(shù)據(jù),批量生產(chǎn)的自制器件一定要心中有數(shù).
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@lyjy
5,高頻引弧:單用的氬焊機高頻引弧及引弧斷開,最簡單可靠.放電氣隙約1.2mm為好
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/46/1161236937.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
怎樣看MOS管驅(qū)動波形?上面的圖是驅(qū)動前沿放大的分析圖,很直觀可以看出t1-t2-t3是開關前沿功耗最嚴重時刻.
對2sk系列,t1--t3驅(qū)動時間應≤0.15μs.過長,損耗大易燒管.
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@lyjy
[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/46/1161236937.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">怎樣看MOS管驅(qū)動波形?上面的圖是驅(qū)動前沿放大的分析圖,很直觀可以看出t1-t2-t3是開關前沿功耗最嚴重時刻.對2sk系列,t1--t3驅(qū)動時間應≤0.15μs.過長,損耗大易燒管.
1161318565.rar
驅(qū)動IGBT的宣講資料,實際是本版網(wǎng)友已上傳過的資料,內(nèi)容非常豐富.我看過多次了,好資料大家多分享.
驅(qū)動IGBT的宣講資料,實際是本版網(wǎng)友已上傳過的資料,內(nèi)容非常豐富.我看過多次了,好資料大家多分享.
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@lyjy
5,高頻引弧:單用的氬焊機高頻引弧及引弧斷開,最簡單可靠.放電氣隙約1.2mm為好
高頻引弧是氬弧焊機特殊性電路,資料極少.一般實用的要求笫一次引弧,冷鎢極對工件5-8mm可靠引弧.RL機為了主開關電路MOS管占空比用足,空載電壓設計成40V,這樣對手工焊很有利,但氬弧焊40V起弧很差,所以RL機另有一套自舉升壓電路出90V來引弧,這樣就需特制的升壓開關變壓器,成本也升高了.實踐證明,空載在52V,配合有能量的高頻電壓,5-8mm引弧很好!簡單地實現(xiàn)了高頻引弧組件.由于空載電壓高,為了使拉弧時功率不至過大,所以將工作死區(qū)變大一些,只要將SG3525的振蕩電路的Rd接200歐就可.火花放電的高壓源;笫一代,用工頻高壓變壓器.笫二代,用可控硅作間歇振蕩源,目前在變壓器式等離子切割機中還用.笫三代,目前大多機都從逆變主變上取了.這個上傳的壓縮文件是一個高頻引弧實物照片,因帖照片網(wǎng)頁受損而慢.感興趣朋友可選擇性下載看吧!簡單也可靠.但由于太簡單了,使控制無法變化,所以大焊機不宜采用.
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@lyjy
[圖片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='這是一張縮略圖，點擊可放大。\n按住CTRL，滾動鼠標滾輪可自由縮放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/46/1161236937.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">怎樣看MOS管驅(qū)動波形?上面的圖是驅(qū)動前沿放大的分析圖,很直觀可以看出t1-t2-t3是開關前沿功耗最嚴重時刻.對2sk系列,t1--t3驅(qū)動時間應≤0.15μs.過長,損耗大易燒管.
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的保護
西安電子工程研究所 陳義懷 胡衛(wèi)華 王 彥
摘要:通過對IGBT損壞機理的分析,根據(jù)其損壞的原因,采取相應措施對其進行保護,以保證其安全可靠工作.
關鍵詞:IGBT;MOSFET;驅(qū)動;過壓;浪涌;緩沖;過流;過熱;保護
引言
絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,因此,可以把其看作是MOS輸入的達林頓管.它融和了這兩種器件的優(yōu)點,既具有MOSFET器件驅(qū)動簡單和快速的優(yōu)點,又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點,因而,在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用.
在中大功率的開關電源裝置中,IGBT由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點,已逐步取代晶閘管或GTO.但是在開關電源裝置中,由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它容易損壞,另外,電源作為系統(tǒng)的前級,由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大,故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性.因而,在選擇IGBT時除了要作降額考慮外,對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié).
1 IGBT的工作原理
IGBT的等效電路如圖1所示.由圖1可知,若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓,則MOSFET導通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止.
由此可知,IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定:
——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;
——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;
——流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流;
——IGBT的結(jié)溫.
如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動電壓過低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過高超過柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極-發(fā)射極之間的耐壓,流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流超過集電極-發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會永久性損壞.
2 保護措施
在進行電路設計時,應針對影響IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相應的保護措施.
2．1 IGBT柵極的保護
IGBT的柵極-發(fā)射極驅(qū)動電壓VGE的保證值為±20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓,則可能會損壞IGBT,因此,在IGBT的驅(qū)動電路中應當設置柵壓限幅電路.另外,若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極-發(fā)射極有電流流過.這時若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時,可能會使IGBT發(fā)熱甚至損壞.如果設備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開,在不被察覺的情況下給主電路加上電壓,則IGBT就可能會損壞.為防止此類情況發(fā)生,應在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十kΩ的電阻,此電阻應盡量靠近柵極與發(fā)射極.如圖2所示.
由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體,特別是其柵極為MOS結(jié)構(gòu),因此除了上述應有的保護之外,就像其他MOS結(jié)構(gòu)器件一樣,IGBT對于靜電壓也是十分敏感的,故而對IGBT進行裝配焊接作業(yè)時也必須注意以下事項:
——在需要用手接觸IGBT前,應先將人體上的靜電放電后再進行操作,并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動端子部分,必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉;
——在焊接作業(yè)時,為了防止靜電可能損壞IGBT,焊機一定要可靠地接地.
2．2 集電極與發(fā)射極間的過壓保護
過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況,一種是施加到IGBT集電極-發(fā)射極間的直流電壓過高,另一種為集電極-發(fā)射極上的浪涌電壓過高.
2.2.1 直流過電壓
直流過壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發(fā)生異常所致.解決的辦法是在選取IGBT時,進行降額設計;另外,可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入,保證IGBT的安全.
2.2.2 浪涌電壓的保護
因為電路中分布電感的存在,加之IGBT的開關速度較高,當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時,就會產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt,威脅IGBT的安全.
通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示.
圖中:vCE為IGBT?電極-發(fā)射極間的電壓波形;
ic為IGBT的集電極電流;
Ud為輸入IGBT的直流電壓;
VCESP=Ud+Ldic/dt,為浪涌電壓峰值.
如果VCESP超出IGBT的集電極-發(fā)射極間耐壓值VCES,就可能損壞IGBT.解決的辦法主要有:
——在選取IGBT時考慮設計裕量;
——在電路設計時調(diào)整IGBT驅(qū)動電路的Rg,使di/dt盡可能小;
——盡量將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;
——根據(jù)情況加裝緩沖保護電路,旁路高頻浪涌電壓.
由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用,在此將緩沖保護電路的類型和特點作一介紹.
—C緩沖電路如圖4(a)所示,采用薄膜電容,靠近IGBT安裝,其特點是電路簡單,其缺點是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成LC諧振電路,易產(chǎn)生電壓振蕩,而且IGBT開通時集電極電流較大.
——RC緩沖電路如圖4(b)所示,其特點是適合于斬波電路,但在使用大容量IGBT時,必須使緩沖電阻值增大,否則,開通時集電極電流過大,使IGBT功能受到一定限制.
——RCD緩沖電路如圖4(c)所示,與RC緩沖電路相比其特點是,增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大,避開了開通時IGBT功能受阻的問題.
該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗為
P=LI2f+CUd2f式中:L為主電路中的分布電感;
I為IGBT關斷時的集電極電流;
f為IGBT的開關頻率;
C為緩沖電容;
Ud為直流電壓值.
——放電阻止型緩沖電路如圖4(d)所示,與RCD緩沖電路相比其特點是,產(chǎn)生的損耗小,適合于高頻開關.
在該緩沖電路中緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗為
P=1/2LI2f+1/2CUf
根據(jù)實際情況選取適當?shù)木彌_保護電路,抑制關斷浪涌電壓.在進行裝配時,要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感,接線越短越粗越好.
2．3 集電極電流過流保護
對IGBT的過流保護,主要有3種方法.
2.3.1 用電阻或電流互感器檢測過流進行保護
如圖5(a)及圖5(b)所示,可以用電阻或電流互感器與IGBT串聯(lián),檢測流過IGBT集電極的電流.當有過流情況發(fā)生時,控制執(zhí)行機構(gòu)斷開IGBT的輸入,達到保護IGBT的目的.
2.3.2 由IGBT的VCE(sat)檢測過流進行保護
如圖5(c)所示,因VCE(sat)=IcRCE(sat),當Ic增大時,VCE(sat)也隨之增大,若柵極電壓為高電平,而VCE為高,則此時就有過流情況發(fā)生,此時與門輸出高電平,將過流信號輸出,控制執(zhí)行機構(gòu)斷開IGBT的輸入,保護IGBT.
2.3.3 檢測負載電流進行保護
此方法與圖5(a)中的檢測方法基本相同,但圖5(a)屬直接法,此屬間接法,如圖5(d)所示.若負載短路或負載電流加大時,也可能使前級的IGBT的集電極電流增大,導致IGBT損壞.由負載處(或IGBT的后一級電路)檢測到異常后,控制執(zhí)行機構(gòu)切斷IGBT的輸入,達到保護的目的.
2．4 過熱保護
一般情況下流過IGBT的電流較大,開關頻率較高,故而器件的損耗也比較大,如果熱量不能及時散掉,使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax,則IGBT可能損壞.
IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動態(tài)動耗,其動態(tài)功耗又包括開通功耗和關斷功耗.在進行熱設計時,不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱,而且還要保證其在發(fā)生短時過載時,IGBT的結(jié)溫也不超過Tjmax.
當然,受設備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮,散熱系統(tǒng)也不可能無限制地擴大.可在靠近IGBT處加裝一溫度繼電器等,檢測IGBT的工作溫度.控制執(zhí)行機構(gòu)在發(fā)生異常時切斷IGBT的輸入,保護其安全.
除此之外,將IGBT往散熱器上安裝固定時應注意以下事項:
——由于熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同,因此,若在散熱器上僅安裝一個IGBT時,應將其安裝在正中間,以便使得熱阻最小;當要安裝幾個IGBT時,應根據(jù)每個IGBT的發(fā)熱情況留出相應的空間;
——使用帶紋路的散熱器時,應將IGBT較寬的方向順著散熱器的紋路,以減少散熱器的變形;
——散熱器的安裝表面光潔度應≤10μm,如果散熱器的表面不平,將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻,甚至在IGBT的管芯和管殼之間的襯底上產(chǎn)生很大的張力,損壞IGBT的絕緣層;
——為了減少接觸熱阻,最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂.
3 結(jié)語
在應用IGBT時應根據(jù)實際情況,采取相應的保護措施.只要在過壓、過流、過熱等幾個方面都采取有效的保護措施后,在實際應用中均能夠取得良好的效果,保證IGBT安全可靠地工作.
西安電子工程研究所 陳義懷 胡衛(wèi)華 王 彥
摘要:通過對IGBT損壞機理的分析,根據(jù)其損壞的原因,采取相應措施對其進行保護,以保證其安全可靠工作.
關鍵詞:IGBT;MOSFET;驅(qū)動;過壓;浪涌;緩沖;過流;過熱;保護
引言
絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,因此,可以把其看作是MOS輸入的達林頓管.它融和了這兩種器件的優(yōu)點,既具有MOSFET器件驅(qū)動簡單和快速的優(yōu)點,又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點,因而,在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用.
在中大功率的開關電源裝置中,IGBT由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點,已逐步取代晶閘管或GTO.但是在開關電源裝置中,由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它容易損壞,另外,電源作為系統(tǒng)的前級,由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大,故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性.因而,在選擇IGBT時除了要作降額考慮外,對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié).
1 IGBT的工作原理
IGBT的等效電路如圖1所示.由圖1可知,若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓,則MOSFET導通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止.
由此可知,IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定:
——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;
——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;
——流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流;
——IGBT的結(jié)溫.
如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動電壓過低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過高超過柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極-發(fā)射極之間的耐壓,流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流超過集電極-發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會永久性損壞.
2 保護措施
在進行電路設計時,應針對影響IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相應的保護措施.
2．1 IGBT柵極的保護
IGBT的柵極-發(fā)射極驅(qū)動電壓VGE的保證值為±20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓,則可能會損壞IGBT,因此,在IGBT的驅(qū)動電路中應當設置柵壓限幅電路.另外,若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極-發(fā)射極有電流流過.這時若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時,可能會使IGBT發(fā)熱甚至損壞.如果設備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開,在不被察覺的情況下給主電路加上電壓,則IGBT就可能會損壞.為防止此類情況發(fā)生,應在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十kΩ的電阻,此電阻應盡量靠近柵極與發(fā)射極.如圖2所示.
由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體,特別是其柵極為MOS結(jié)構(gòu),因此除了上述應有的保護之外,就像其他MOS結(jié)構(gòu)器件一樣,IGBT對于靜電壓也是十分敏感的,故而對IGBT進行裝配焊接作業(yè)時也必須注意以下事項:
——在需要用手接觸IGBT前,應先將人體上的靜電放電后再進行操作,并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動端子部分,必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉;
——在焊接作業(yè)時,為了防止靜電可能損壞IGBT,焊機一定要可靠地接地.
2．2 集電極與發(fā)射極間的過壓保護
過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況,一種是施加到IGBT集電極-發(fā)射極間的直流電壓過高,另一種為集電極-發(fā)射極上的浪涌電壓過高.
2.2.1 直流過電壓
直流過壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發(fā)生異常所致.解決的辦法是在選取IGBT時,進行降額設計;另外,可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入,保證IGBT的安全.
2.2.2 浪涌電壓的保護
因為電路中分布電感的存在,加之IGBT的開關速度較高,當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時,就會產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt,威脅IGBT的安全.
通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示.
圖中:vCE為IGBT?電極-發(fā)射極間的電壓波形;
ic為IGBT的集電極電流;
Ud為輸入IGBT的直流電壓;
VCESP=Ud+Ldic/dt,為浪涌電壓峰值.
如果VCESP超出IGBT的集電極-發(fā)射極間耐壓值VCES,就可能損壞IGBT.解決的辦法主要有:
——在選取IGBT時考慮設計裕量;
——在電路設計時調(diào)整IGBT驅(qū)動電路的Rg,使di/dt盡可能小;
——盡量將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;
——根據(jù)情況加裝緩沖保護電路,旁路高頻浪涌電壓.
由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用,在此將緩沖保護電路的類型和特點作一介紹.
—C緩沖電路如圖4(a)所示,采用薄膜電容,靠近IGBT安裝,其特點是電路簡單,其缺點是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成LC諧振電路,易產(chǎn)生電壓振蕩,而且IGBT開通時集電極電流較大.
——RC緩沖電路如圖4(b)所示,其特點是適合于斬波電路,但在使用大容量IGBT時,必須使緩沖電阻值增大,否則,開通時集電極電流過大,使IGBT功能受到一定限制.
——RCD緩沖電路如圖4(c)所示,與RC緩沖電路相比其特點是,增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大,避開了開通時IGBT功能受阻的問題.
該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗為
P=LI2f+CUd2f式中:L為主電路中的分布電感;
I為IGBT關斷時的集電極電流;
f為IGBT的開關頻率;
C為緩沖電容;
Ud為直流電壓值.
——放電阻止型緩沖電路如圖4(d)所示,與RCD緩沖電路相比其特點是,產(chǎn)生的損耗小,適合于高頻開關.
在該緩沖電路中緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗為
P=1/2LI2f+1/2CUf
根據(jù)實際情況選取適當?shù)木彌_保護電路,抑制關斷浪涌電壓.在進行裝配時,要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感,接線越短越粗越好.
2．3 集電極電流過流保護
對IGBT的過流保護,主要有3種方法.
2.3.1 用電阻或電流互感器檢測過流進行保護
如圖5(a)及圖5(b)所示,可以用電阻或電流互感器與IGBT串聯(lián),檢測流過IGBT集電極的電流.當有過流情況發(fā)生時,控制執(zhí)行機構(gòu)斷開IGBT的輸入,達到保護IGBT的目的.
2.3.2 由IGBT的VCE(sat)檢測過流進行保護
如圖5(c)所示,因VCE(sat)=IcRCE(sat),當Ic增大時,VCE(sat)也隨之增大,若柵極電壓為高電平,而VCE為高,則此時就有過流情況發(fā)生,此時與門輸出高電平,將過流信號輸出,控制執(zhí)行機構(gòu)斷開IGBT的輸入,保護IGBT.
2.3.3 檢測負載電流進行保護
此方法與圖5(a)中的檢測方法基本相同,但圖5(a)屬直接法,此屬間接法,如圖5(d)所示.若負載短路或負載電流加大時,也可能使前級的IGBT的集電極電流增大,導致IGBT損壞.由負載處(或IGBT的后一級電路)檢測到異常后,控制執(zhí)行機構(gòu)切斷IGBT的輸入,達到保護的目的.
2．4 過熱保護
一般情況下流過IGBT的電流較大,開關頻率較高,故而器件的損耗也比較大,如果熱量不能及時散掉,使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax,則IGBT可能損壞.
IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動態(tài)動耗,其動態(tài)功耗又包括開通功耗和關斷功耗.在進行熱設計時,不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱,而且還要保證其在發(fā)生短時過載時,IGBT的結(jié)溫也不超過Tjmax.
當然,受設備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮,散熱系統(tǒng)也不可能無限制地擴大.可在靠近IGBT處加裝一溫度繼電器等,檢測IGBT的工作溫度.控制執(zhí)行機構(gòu)在發(fā)生異常時切斷IGBT的輸入,保護其安全.
除此之外,將IGBT往散熱器上安裝固定時應注意以下事項:
——由于熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同,因此,若在散熱器上僅安裝一個IGBT時,應將其安裝在正中間,以便使得熱阻最小;當要安裝幾個IGBT時,應根據(jù)每個IGBT的發(fā)熱情況留出相應的空間;
——使用帶紋路的散熱器時,應將IGBT較寬的方向順著散熱器的紋路,以減少散熱器的變形;
——散熱器的安裝表面光潔度應≤10μm,如果散熱器的表面不平,將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻,甚至在IGBT的管芯和管殼之間的襯底上產(chǎn)生很大的張力,損壞IGBT的絕緣層;
——為了減少接觸熱阻,最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂.
3 結(jié)語
在應用IGBT時應根據(jù)實際情況,采取相應的保護措施.只要在過壓、過流、過熱等幾個方面都采取有效的保護措施后,在實際應用中均能夠取得良好的效果,保證IGBT安全可靠地工作.
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@xingyu2000916
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的保護西安電子工程研究所陳義懷胡衛(wèi)華王彥 摘要:通過對IGBT損壞機理的分析,根據(jù)其損壞的原因,采取相應措施對其進行保護,以保證其安全可靠工作. 關鍵詞:IGBT;MOSFET;驅(qū)動;過壓;浪涌;緩沖;過流;過熱;保護 引言絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件,其輸入極為MOSFET,輸出極為PNP晶體管,因此,可以把其看作是MOS輸入的達林頓管.它融和了這兩種器件的優(yōu)點,既具有MOSFET器件驅(qū)動簡單和快速的優(yōu)點,又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點,因而,在現(xiàn)代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用.在中大功率的開關電源裝置中,IGBT由于其控制驅(qū)動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點,已逐步取代晶閘管或GTO.但是在開關電源裝置中,由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,使得它容易損壞,另外,電源作為系統(tǒng)的前級,由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大,故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性.因而,在選擇IGBT時除了要作降額考慮外,對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié). 1IGBT的工作原理IGBT的等效電路如圖1所示.由圖1可知,若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓,則MOSFET導通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止.由此可知,IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定:——IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;——流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流;——IGBT的結(jié)溫.如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓,即驅(qū)動電壓過低,則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作,如果過高超過柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣,如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極-發(fā)射極之間的耐壓,流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流超過集電極-發(fā)射極允許的最大電流,IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值,IGBT都可能會永久性損壞. 2保護措施在進行電路設計時,應針對影響IGBT可靠性的因素,有的放矢地采取相應的保護措施.2．1IGBT柵極的保護IGBT的柵極-發(fā)射極驅(qū)動電壓VGE的保證值為±20V,如果在它的柵極與發(fā)射極之間加上超出保證值的電壓,則可能會損壞IGBT,因此,在IGBT的驅(qū)動電路中應當設置柵壓限幅電路.另外,若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路,而在其集電極與發(fā)射極之間加上電壓,則隨著集電極電位的變化,由于柵極與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極-發(fā)射極有電流流過.這時若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時,可能會使IGBT發(fā)熱甚至損壞.如果設備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開,在不被察覺的情況下給主電路加上電壓,則IGBT就可能會損壞.為防止此類情況發(fā)生,應在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十kΩ的電阻,此電阻應盡量靠近柵極與發(fā)射極.如圖2所示.由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體,特別是其柵極為MOS結(jié)構(gòu),因此除了上述應有的保護之外,就像其他MOS結(jié)構(gòu)器件一樣,IGBT對于靜電壓也是十分敏感的,故而對IGBT進行裝配焊接作業(yè)時也必須注意以下事項:——在需要用手接觸IGBT前,應先將人體上的靜電放電后再進行操作,并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動端子部分,必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉;——在焊接作業(yè)時,為了防止靜電可能損壞IGBT,焊機一定要可靠地接地.2．2集電極與發(fā)射極間的過壓保護過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況,一種是施加到IGBT集電極-發(fā)射極間的直流電壓過高,另一種為集電極-發(fā)射極上的浪涌電壓過高.2.2.1直流過電壓直流過壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發(fā)生異常所致.解決的辦法是在選取IGBT時,進行降額設計;另外,可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入,保證IGBT的安全.2.2.2浪涌電壓的保護因為電路中分布電感的存在,加之IGBT的開關速度較高,當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時,就會產(chǎn)生很大的浪涌電壓Ldi/dt,威脅IGBT的安全.通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示.圖中:vCE為IGBT?電極-發(fā)射極間的電壓波形;ic為IGBT的集電極電流;Ud為輸入IGBT的直流電壓;VCESP=Ud+Ldic/dt,為浪涌電壓峰值.如果VCESP超出IGBT的集電極-發(fā)射極間耐壓值VCES,就可能損壞IGBT.解決的辦法主要有:——在選取IGBT時考慮設計裕量;——在電路設計時調(diào)整IGBT驅(qū)動電路的Rg,使di/dt盡可能小;——盡量將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;——根據(jù)情況加裝緩沖保護電路,旁路高頻浪涌電壓.由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用,在此將緩沖保護電路的類型和特點作一介紹.—C緩沖電路如圖4(a)所示,采用薄膜電容,靠近IGBT安裝,其特點是電路簡單,其缺點是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成LC諧振電路,易產(chǎn)生電壓振蕩,而且IGBT開通時集電極電流較大.——RC緩沖電路如圖4(b)所示,其特點是適合于斬波電路,但在使用大容量IGBT時,必須使緩沖電阻值增大,否則,開通時集電極電流過大,使IGBT功能受到一定限制.——RCD緩沖電路如圖4(c)所示,與RC緩沖電路相比其特點是,增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大,避開了開通時IGBT功能受阻的問題.該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗為P=LI2f+CUd2f式中:L為主電路中的分布電感;I為IGBT關斷時的集電極電流;f為IGBT的開關頻率;C為緩沖電容;Ud為直流電壓值.——放電阻止型緩沖電路如圖4(d)所示,與RCD緩沖電路相比其特點是,產(chǎn)生的損耗小,適合于高頻開關.在該緩沖電路中緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗為P=1/2LI2f+1/2CUf根據(jù)實際情況選取適當?shù)木彌_保護電路,抑制關斷浪涌電壓.在進行裝配時,要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感,接線越短越粗越好.2．3集電極電流過流保護對IGBT的過流保護,主要有3種方法.2.3.1用電阻或電流互感器檢測過流進行保護如圖5(a)及圖5(b)所示,可以用電阻或電流互感器與IGBT串聯(lián),檢測流過IGBT集電極的電流.當有過流情況發(fā)生時,控制執(zhí)行機構(gòu)斷開IGBT的輸入,達到保護IGBT的目的.2.3.2由IGBT的VCE(sat)檢測過流進行保護如圖5(c)所示,因VCE(sat)=IcRCE(sat),當Ic增大時,VCE(sat)也隨之增大,若柵極電壓為高電平,而VCE為高,則此時就有過流情況發(fā)生,此時與門輸出高電平,將過流信號輸出,控制執(zhí)行機構(gòu)斷開IGBT的輸入,保護IGBT.2.3.3檢測負載電流進行保護此方法與圖5(a)中的檢測方法基本相同,但圖5(a)屬直接法,此屬間接法,如圖5(d)所示.若負載短路或負載電流加大時,也可能使前級的IGBT的集電極電流增大,導致IGBT損壞.由負載處(或IGBT的后一級電路)檢測到異常后,控制執(zhí)行機構(gòu)切斷IGBT的輸入,達到保護的目的.2．4過熱保護一般情況下流過IGBT的電流較大,開關頻率較高,故而器件的損耗也比較大,如果熱量不能及時散掉,使得器件的結(jié)溫Tj超過Tjmax,則IGBT可能損壞.IGBT的功耗包括穩(wěn)態(tài)功耗和動態(tài)動耗,其動態(tài)功耗又包括開通功耗和關斷功耗.在進行熱設計時,不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱,而且還要保證其在發(fā)生短時過載時,IGBT的結(jié)溫也不超過Tjmax.當然,受設備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮,散熱系統(tǒng)也不可能無限制地擴大.可在靠近IGBT處加裝一溫度繼電器等,檢測IGBT的工作溫度.控制執(zhí)行機構(gòu)在發(fā)生異常時切斷IGBT的輸入,保護其安全. 除此之外,將IGBT往散熱器上安裝固定時應注意以下事項:——由于熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同,因此,若在散熱器上僅安裝一個IGBT時,應將其安裝在正中間,以便使得熱阻最小;當要安裝幾個IGBT時,應根據(jù)每個IGBT的發(fā)熱情況留出相應的空間;——使用帶紋路的散熱器時,應將IGBT較寬的方向順著散熱器的紋路,以減少散熱器的變形;——散熱器的安裝表面光潔度應≤10μm,如果散熱器的表面不平,將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻,甚至在IGBT的管芯和管殼之間的襯底上產(chǎn)生很大的張力,損壞IGBT的絕緣層;——為了減少接觸熱阻,最好在散熱器與IGBT模塊間涂抹導熱硅脂. 3結(jié)語在應用IGBT時應根據(jù)實際情況,采取相應的保護措施.只要在過壓、過流、過熱等幾個方面都采取有效的保護措施后,在實際應用中均能夠取得良好的效果,保證IGBT安全可靠地工作.
好!學習討論,共同進步.論壇應該多一點技術性內(nèi)容,人氣才會旺!
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