變頻器的工作原理、組成和使用方法

一．IGBT的結構和基本工作原理

絕緣門極晶體管IGBT也稱絕緣柵極雙極型晶體管，是一種新發展起來的復合型電力電子器件。

由于它結合了MOSFET和GTR的特點，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的優點，又具有輸入通態電壓低，耐壓高和承受電流大的優點，這些都使IGBT比GTR有更大的吸引力。

在變頻器驅動電機，中頻和開關電源以及要求快速、低損耗的領域，IGBT有著主導地位。

1.  IGBT的基本結構與工作原理

1）基本結構

IGBT也是三端器件，三個極為漏極（D）、柵極（G）和源極（S）。

（a) 內部結構 （b）簡化等效電路（c）電氣圖形符號

2）工作原理

IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種壓控型器件。

開通和關斷是由柵極和發射極間的電壓UGE決定的，當UGE為正且大于開啟電壓UGE（th）時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流使其導通。

當柵極與發射極之間加反向電壓或不加電壓時，MOSFET內的溝道消失，晶體管無基極電流，IGBT關斷。

2.IGBT的基本特性與主要參數

IGBT的轉移特性和輸出特性

（a)  轉移特性  （b)  輸出特性

1）IGBT的基本特性

① 靜態特性

IGBT的轉移特性，它描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關系，與功率MOSFET的轉移特性相似。

開啟電壓UGE（th）是IGBT能實現電導調制而導通的低柵射電壓。

UGE（th）隨溫度升高而略有下降，溫度升高1oC，其值下降5mV左右。在+25oC時，UGE（th）的值一般為2~6V。

IGBT的輸出特性，也稱伏安特性，它描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關系。

IGBT的開關過程

2）主要參數

①集電極—發射極額定電壓UCES

②柵極—發射極額定電壓UGES

③額定集電極電流IC 

3.IGBT的擎住效應和安全工作區

從IGBT的結構可以發現，IGBT電流可能發生失控的現象，就像普通晶閘管被觸發以后，即使撤消觸發信號晶閘管仍然因進入正反饋過程而維持導通的機理一樣，因此被稱為擎住效應或自鎖效應。

引發擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜態擎住效應），也可能是最大允許電壓上升率duCE/dt過大（動態擎住效應），溫度升高也會加重發生擎住效應的危險。

動態擎住效應比靜態擎住效應所允許的集電極電流小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據動態擎住效應而確定的。

根據最大集電極電流、最大集電極間電壓和最大集電極功耗可以確定IGBT在導通工作狀態的參數極限范圍；根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率可以確定IGBT在阻斷工作狀態下的參數極限范圍，即反向偏置安全工作電壓（RBSOA）

（1)對驅動電路的要求

①IGBT是電壓驅動的，具有一個2.5~5.0V的閥值電壓，有一個容性輸入阻抗，因此IGBT對柵極電荷非常敏感，故驅動電路必須很可靠，保證有一條低阻抗值的放電回路，即驅動電路與IGBT的連線要盡量短。

②用內阻小的驅動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓UCE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關損耗盡量小。另外，IGBT開通后，柵極驅動源應能提供足夠的功率，使IGBT不退出飽和而損壞。

③驅動電路中的正偏壓應為+12~+15V，負偏壓應為-2~-10V。

④IGBT多用于高壓場合，故驅動電路應整個控制電路在電位上嚴格隔離。

⑤驅動電路應盡可能簡單實用，具有對IGBT的自保護功能，并有較強的抗干擾能力。

⑥若為大電感負載，IGBT的關斷時間不宜過短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保證IGBT的安全。

（2)驅動電路

因為IGBT的輸入特性幾乎與MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅動電路同樣可以用于IGBT。

在用于驅動電動機的逆變器電路中，為使IGBT能夠穩定工作，要求IGBT的驅動電路采用正負偏壓雙電源的工作方式。

為了使驅動電路與信號電隔離，應采用抗噪聲能力強，信號傳輸時間端的光耦合器件。

基極和發射極的引線應盡量短，基極驅動電路的輸入線應為絞合線

為抑制輸入信號的振蕩現象，基極和發射極并聯一阻尼網絡。

驅動電路的輸出級采用互補電路的形式以降低驅動源的內阻，同時加速IGBT的關斷過程。

IGBT基極驅動電路

（a）阻尼濾波                  （b) 光電隔離

（3)集成化驅動電路

IGBT有與其配套的集成驅動電路。

這些專用驅動電路抗干擾能力強，集成化程度高，速度快，保護功能完善，可實現IGBT的優驅動。

因為IGBT保護主要是柵源過電壓保護、靜電保護、采用R-C-VD緩沖電路等等。

在IGBT電控系統中設置過壓、欠壓、過流和過熱保護單元，以保證安全可靠工作。

必須保證IGBT不發生擎住效應；具體做法是，實際中IGBT使用的最大電流不超過其額定電流。

1）緩沖電路

幾種用于IGBT橋臂的典型緩沖電路。

         （a)        （ b)        （c)

a)圖是簡單的單電容電路，適用于50A以下的小容量IGBT模塊，由于電路無阻尼組件，易產生LC振蕩，故應選擇無感電容或串入阻尼電阻RS；

b)圖是將RCD緩沖電路用于雙橋臂的IGBT模塊上，適用于200A以下的中等容量IGBT；

c)圖中，將兩個RCD緩沖電路分別用在兩個橋臂上，該電路將電容上過沖的能量部分送回電源，因此損耗較小，廣泛應用于200A以上的大容量IGBT。

（2）IGBT的保護

過電流保護措施主要是檢測出過電流信號后迅速切斷柵極控制信號來關斷IGBT。

實際使用中，要求在檢測到過電流后，通過控制電路產生負的柵極驅動信號來關斷IGBT。只要IGBT的額定參數選擇合理，10內的過電流一般不會使之損壞。

采用集電極電壓識別方法的過流保護電路。

為了避免IGBT過電流的時間超過允許的短路過電流時間，保護電路應當采用快速光耦合器等快速傳送組件及電路。

檢測發射極電流過流的保護電路。