【原创】IGBT应用技术讨论

先介绍一些IGBT的前沿应用

1、IGBT应用的最大变流器是高压直流输变电，一条高压直流输变电线需要2套变流器装置，使用的IGBT大功率模块数量成千上万个，模块的单价约人民币1万。还需要大量的高压大容量薄膜电容。这两项是变流器的主要材料成本。变流器的材料成本是亿元计算的。当然，与高压交流输变电相比，由于节能带来的经济效益极其可观。目前，国家电科院正在研发。

2、电网动态无功补偿SVC（包含谐波治理），目前主要用于中压（6KV――35KV）电网，主电路拓扑与直流输变电类似，控制方式不同。由于电压等级低于高压直流输变电，其材料成本也相对低一些。国内有少数公司在研发。国家电科院正在研发或已经有样机运行。

3、高压变频器，驱动高压交流电机，主流电压等级为6KV和10KV（电机电压等级划分与电网电压等级划分是不一样的），驱动电机的功率从几百KW到几万KW。主要用于节能，经济效益好，一般运行2年之内即可收回设备投资。已经在国内推广应用，为节能减排作出了重要贡献。国家有相应的政策支持，国内在做高压变频器的公司估计远超100家，绝大多数是民营公司，由于技术门槛比较高，技术过关的不超过10家。由于新上高压变频器的公司太多，这方面的高端人才奇缺。大家熟知的华为也启动了该项目。

4、电力机车牵引，铁路机车（如高铁），地铁，矿山运输电力机车，磁悬浮。这方面基本由国企垄断。

5、新能源的（并网）变流器：风能发电，太阳能发电（光伏），风能的功率等级一般在几兆瓦，光伏的功率等级在几百KW。新能源的（并网）变流器的应用前景很好，属于快速增长期。

6、电动车电机调速，要求4象限运行，运行环境恶劣，宽温度范围，快速动态变化。能否大面积推广取决于动力电池。

第一个问题：IGBT的过流和短路及其保护

英飞凌技术资料【短路类型及保护.pdf】第四页

纵坐标是集电极电流与其额定电流的比值，即倍数；横坐标是VCE。图中有三条不同栅极电压的特性曲线。

首先定义1倍到2倍集电极电流为过流，此时IGBT工作在饱和区，IGBT过流是可以有条件重复发生的，条件是结温不超过允许的最高运行结温，时间小于1毫秒。

当进入放大区时，即IC不随VCE的升高而变化时，定义为短路。短路在较长的时间内是不允许重复的。

从过流到短路的之间的弯曲的线定义为过渡区。

栅电压如果在13V－15V，短路时VCE＞6V，短路电流是额定电流的3－5倍，可承受的最长时间为10微秒，英飞凌确认IGBT不会损坏，是经过验证的；如果栅电压超过15V，电流就会超过5倍额定电流，10微秒，英飞凌不确认IGBT不会损坏，未经过验证。

顶起！

有很多成品IGBT的驱动保护电路，IC级的有HCPL-316J、PC929等等；厚膜电路有841，57962等等；PCB板级有赛米控（西门康）、CONSEPT等等。这些IGBT的驱动保护电路都是用于短路保护的，它们共同的做法是检测VCE，当VCE足够高，IGBT进入放大区，也就是说IGBT进入短路时，保护动作才发生。然后驱动输出就锁死，有些电路在一定时间（微秒或毫秒级）后自动解锁；有些电路需要外部解锁信号。由于IGBT短路在较长的时间内是不允许重复的，所以，在使用可自动解锁的电路时，外部控制电路在接收到驱动故障信号后，必需封锁驱动信号，才能可靠保护IGBT。

这些成品IGBT的驱动保护电路的故障（短路）检测端是通过二极管连接到IGBT的集电极，这样就可能引入干扰，所以在二极管后通常会有RC滤波，以免误报驱动故障。各种产品电路设置的保护阈值不同，阈值高则不易受干扰，保护灵敏度下降，保护动作稍微滞后。阈值低则易受干扰，保护灵敏度高，易受干扰发生误保护。例如，HCPL316J的保护阈值为7V，很容易受干扰，因此原厂建议采用如下电路参数（Cb增加到1000P，增加Rb），增强抗干扰。而PC929的阈值为9.5V（驱动正压+15V时），抗干扰就好得多。

这一块知识还是在黄俊老师和王兆安老师主编的《电力电子技术》这本书学的，现在在详细听旅长的讲解。

第二个问题：IGBT的尖峰电压及其保护

大功率IGBT模块一般不会用于单端反激电路，因此在讨论这个问题时仅限于半桥、全桥和三相桥硬开关电路拓扑。

IGBT在快速关断时，集电极电流快速下降，会产生VCE的尖峰电压。尖峰电压的大小取决于多个因素，第一是关断时的集电极电流大小；第二是关断的速度；第三是IGBT电流回路的导线电感；第四是IGBT接线端子到芯片引线电感。集电极电流的大小是工作状态的需要决定的，不可改变；减慢关断速度可以降低尖峰电压，但是，开关损耗会明显增加，代价是非常大的，所以一般不采纳；IGBT接线端子到芯片引线电感是IGBT内部的电感，也是我们无法改变的，但是，我们可以选择内部引线电感小的IGBT模块，例如，如下图

普通老62毫米封装的IGBT，内部引线电感就比较大；新型封装如下图，

求驱动讲解

旅长：

你好，我有一个问题，以INFINEON的400A模块为列，

根据Ic与Vce的曲线可知，当Ic =800A时，Vce的压降也只有3.0V

加上二极管的压降后，316J的通态电压检测引脚desat也只有3.7V，

我想不明白desat引脚上的电压为何会达到7V？

期待你的答复，谢谢。

desat引脚上的电压为何会达到7V？

是因为干扰，你用示波器直接观察，可以看到干扰的尖峰电压达到了7V。

呵呵，谢谢

我还问一下，你指的干扰是由引线电感/IGBT内部杂散电感与电容产生出来的，还是由于其他因素产生的？

呵呵，非常感谢旅长

对于316J的短路保护时间的计算，假定电源为+15V和-7.5V，

在IGBT运行前就短路，那短路响应时间是不是

就可以采用t = -Rb*Cb*ln[(15V-7V)/(15V+7.5V)]来计算，是不是就可以忽略316J内部的250uA的充电电流?

还是就是短路保护时间的确定，我看到过有人选用3uS，还有人用6～7uS，

我不太理解短路时不同的保护时间对IGBT影响的差异？

旅长，

变频器中的IGBT，3个桥臂（假定为U、V、W）之间的开通与关断存在死区时间，大约为3uS，

当U相上半桥关闭后，延时3uS，V相上半桥才会开通，

此时U相上半桥关闭时，所产生的尖峰电压已经不存在，

316J是不是就已经不受尖峰电压的传导干扰？

同一桥臂的上下管有死区，两个桥臂之间是没有死区的。

IGBT短路时会快速温升，会影响其寿命，所以盲区时间不要太长。

旅长！

我还有一个问题，如果我的半桥中的下半桥也采用检测Vce压降来实现短路保护，母线上的尖峰电压是如何通过二极管的结电容传导至316J的检测引脚？

现在假设二极管的结电容等于5PF, Cb = 1000pf, 尖峰电压传导至Cb上的电压为

V*5PF/(5PF+1000PF) ,这里的V取值应为峰值电压，还是峰值电压与母线电压的差值？

IGBT任何两个极之间都有电容，内置快速二极管也有电容。干扰可以通过这些电容传导到下管。

“V*5PF/(5PF+1000PF)”，这样的计算是不准确的，因为IGBT下管各电极间也有电容。

另外，一般取样二极管的结电容有十几P。