全球經濟化條件下lGBT軟開關應用與開發

一、IGBT溉述

正常IGBT的工作頻率在10—20kHz，其開關速度比GTO、IGCT快得多。在交流電動機變頻調速中，它是較好的選擇。它在中小容量裝置中淘汰功率雙極晶體管(GTR)已成定論。IEGT在高電壓領域中保持快速開關特性。在20世紀末，采用特殊結構和特殊少子壽命控制(如質子注入加特殊退火工藝規范)的IGBT，在600—1200V電壓水平下，使工作頻率達到150kHz(硬開關)和300kHz(軟開關)，被稱為霹靂型IGBT。它們將在開關電源中與功率MOSFET競爭，以其導通壓降小，電流密度大，電壓等級高，成本低等優點占有優勢。今后十年的開關電源，也許這種IGBT的市場份額將會擴大。

二、零電壓IGBT軟開關

1、硬開關與軟開關

(1)硬開關：開關的開通與關斷伴隨著電壓和電流的劇烈變化，產生較大的開關損耗和開關噪聲。

(2)軟開關：在主電路中加上小電感或電容等諧振元件，這樣開關管的通、斷前后引入諧振，開關條件得到改善，從而降低開關損耗和開關噪聲。

2、電壓IGBT軟開關

IGBT是功率MOSFET和雙極型晶體管組成的復合器件，IGBT比起MOSFET的優越性在于它可以節約硅片的面積及具有雙極型晶體管的電流特性。

3、電路組成

感應加熱電源隨著工業的發展要求，其功率越做越大。這樣，在中小功率場合廣泛應用的MOSFET已不能滿足功率要求。在高壓大功率的電源上，IGBT成為主角?？墒荌GBT具

有較大的功率損耗。我們在移相全橋PWM硬開關的基礎上，增加一個諧振電感，形成了應用IGBT的PB—ZVS—PWM變換器。

4、輸入低電壓限制

該電源的最低輸入電壓為320V，當輸入的電壓低于正常工作需要的最低電壓時，正常的情況下一般要進行關機操作，但是，這樣會使電壓型控制的電源進入“閉鎖”模式，即輸出的占空比達到最大值，無法對輸出進行調節，當輸入電壓又回到正常值時，就會損壞電源和負載。另外，輸入電壓越低，通過功率開關管的電流就‘越大，會使開關管因功耗過大而損壞，為此我們在輸入端上用一個簡單的電壓比較器而很好地解決了此問題。

三、IGBT的驅動保護

用IGBT作電源，工作在高速大功率開關狀態時，要使它安全可靠的

工作，必須合理設計驅動電路，根據IGBT的特點，我們在設計時主要考慮了以下幾個方面的問題：

(1)選擇合適的柵極正向驅動

電壓：從減小通態損耗的角度考慮，柵極正向電壓越高越好，但是，過高的正向柵極電壓將降低IGBT的短路承受能力，因此，我們采用折中的方法，取了一個15V左右的電壓，收到了較好的效果。

(2)加入5V反偏電壓，利于IG—BT的快速關斷：本條內容已在2.2中提到。

(3)為了改善控制脈沖的前沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，根據IGBT電流容量和電壓額定值及開關頻率的不同，選擇合適的柵極串聯電阻值。

(4)為了阻止當集射極間加有高壓時易受外界干擾而使柵射電壓過高引起器件誤導通的現象發生。在柵射間并接入一個柵射電阻解決了此問題。另外，為了防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，我們在柵射間并接了兩只反向串聯的穩壓二極管，其穩壓值與正柵壓和負柵壓相同，但方向相反。

(5)IGBT超音頻感應加熱頻繁起停，需要對功率器件IGBT進行過流保護，IGBT一般能抵抗約10us的短路電流。我們通過采取對過流信號延遲搜索的方法，即當過流故障信號來臨時，先將柵壓從+15V降至某一設定值，延時10斗s左右，再進行檢測，若故障已消失，柵壓又自動恢復到+15V左右，若仍處于過流狀態，則將柵壓降至零伏或以下，使IGBT截止。

四、結語

進入21世紀以來，作為強電一弱電接口、推進現代先進制造技術關鍵的電力電子正方興未艾地在世界上發展。今后十年是中國社會從小康走向初步富裕的重要時期，作為一個發展中國家，發展電力電子正是完成工業化、推廣信息化的重大舉措。我們將看到今后十年有關電力電子的新思想、新理論、新技術、新材料、新產品、新應用將在政產學研各界的共同努力下，不斷涌現，為持續造福于人民做出應有貢獻