王東旭，趙雅蕓，馬繼晶

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉，735000）

0 引言

當(dāng)代社會(huì)的發(fā)展給自然環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，能源危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變化越來(lái)越被全世界的人們所關(guān)注著。二氧化碳排放量持續(xù)增長(zhǎng)的中國(guó)也特別地關(guān)注再生能源的發(fā)掘，自從我國(guó)在二十一世紀(jì)初制定了相關(guān)能源的法律，首先產(chǎn)生顯著變化的是汽車領(lǐng)域，我國(guó)是世界上率先進(jìn)行大規(guī)模新能源汽車推行工作的發(fā)展中國(guó)家，由于我們的先發(fā)優(yōu)勢(shì)、勞動(dòng)力充足的優(yōu)勢(shì)以及市場(chǎng)規(guī)模龐大等優(yōu)勢(shì)，我國(guó)的新能源汽車具備較大競(jìng)爭(zhēng)力的。于此同時(shí)，采取新能源的發(fā)電技術(shù)越來(lái)越多，在推動(dòng)了電力電子技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用的同時(shí)，也促成了電力電子器件的龐大市場(chǎng)。

伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新型電力半導(dǎo)體設(shè)施不斷涌現(xiàn)，并不斷改革進(jìn)步，該技術(shù)分為傳統(tǒng)電力電子技術(shù)和現(xiàn)代電力電子技術(shù)。本文研究的重點(diǎn)是IGBT這種絕緣柵雙極型晶體管，IGBT是在二十世紀(jì)九十年代初期開始使用的新興復(fù)合功率開關(guān)器件，它是全控性自關(guān)斷器件，它在新能源汽車領(lǐng)域的使用與保護(hù)使得電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入新階段，同時(shí)給新能源帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

1 電力電子器件分類

1.1 根據(jù)器件被控程度分類

依據(jù)器件可以操控的程度，將其分成三種類型。

第一種為可控性器件。此類器件通常為兩端器件，一端是陽(yáng)極，另一端則是負(fù)極。它和電子線路里的二極管有一個(gè)相同點(diǎn)——單邊導(dǎo)電的性質(zhì)。此類器件的電源開關(guān)的實(shí)際操作只是通過(guò)它在主電源電路里增加給陽(yáng)陰兩端的工作電壓及其根據(jù)它的電流量決定的，將它接入的是正向性的工作電壓，將其關(guān)掉的是負(fù)向性的工作電壓，需要留意的是，其工作的電流方向是單向性的。不可控性器件在操縱電流量的接入與關(guān)閉時(shí)，是不可以根據(jù)操縱數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作的，這類元器件的典型性意味著便是輸出功率二極管。

第二種是半控性器件。此類器件一般歸屬于三端器件，它一樣具備單邊導(dǎo)電性，但它與前一種元器件的差別是：器件除開陽(yáng)、陰兩端以外，還附加了一個(gè)控制門極。它在運(yùn)作時(shí)除開必須在陽(yáng)、陰兩端之間增加正方向性的電壓，與此同時(shí)還務(wù)必在控制門極與陰極之間增加正方向性的工作電壓?？刂崎T極和陰極之間的電壓只有把控它接入的情況下，而不可以把控它的關(guān)閉，決定器件關(guān)閉的是它在主電源電路中增加的工作電壓和電流量。這類器件的典型是晶閘管與它絕大多數(shù)的派生器件。

第三種是全控性器件。它和第二種器件有一個(gè)相似點(diǎn)，都是有控制端的三端器件，其可以控制它的連接與關(guān)閉。這種類型的器件就有很多，比如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(功率MOSFET)、門極關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等等?，F(xiàn)階段最常被用到的是功率MOSFET和IGBT。

1.2 根據(jù)控制信號(hào)的性質(zhì)分類

根據(jù)控制信號(hào)所屬的性質(zhì)分類，可以分為兩種類型：電壓驅(qū)動(dòng)型器件與電流驅(qū)動(dòng)型器件。

第一種通過(guò)增加在控制端與公共端之間的電壓來(lái)達(dá)到對(duì)器件開關(guān)操縱的效果，此類器件還被稱作電壓控制型器件。

第二種的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)也是加進(jìn)器件控制端與公共端兩者之間，其運(yùn)用從控制端引入或抽出電流以實(shí)現(xiàn)器件接入或關(guān)閉的目的，此類器件還被稱作電流量操縱型器件。

1.3 根據(jù)參與導(dǎo)電情況分類

依據(jù)器件內(nèi)部的電子和空穴這二個(gè)載流子參加導(dǎo)電的狀況來(lái)歸類，能夠分成三種。

第一種被稱作單極型器件，其只有一種載流子參加導(dǎo)電；第二種被稱作雙極型器件，它由兩類載流子參加導(dǎo)電的器件；第三種被稱作復(fù)合型器件，這類器件是由前兩者混和構(gòu)成的。

在以上分類中，典型的電力電子器件見(jiàn)表1。

表1 典型電力電子器件基礎(chǔ)信息

2 器件耐壓選擇

在一些功率較大的開關(guān)電路設(shè)施中，IGBT有著驅(qū)動(dòng)電路操縱方式簡(jiǎn)單、應(yīng)用頻率高及其容積稍大的優(yōu)勢(shì)，它已經(jīng)逐漸替代了可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用。在開展實(shí)際應(yīng)用的情況下，必須將器件在哪一種靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性或是負(fù)載短路故障的運(yùn)作情況列入考慮范圍，而且適當(dāng)?shù)奶暨x主要參數(shù)。相關(guān)IGBT電路及符號(hào)圖片如所示1所顯示。

圖1 IGBT等效電路和圖形符號(hào)

通常來(lái)講，新能源汽車的蓄電池組電壓為300伏特，在給汽車的蓄電池組充電時(shí)，它的最大電壓可以超過(guò)360V，然而在再生充電的過(guò)程中，蓄電池的電壓在很大幾率上會(huì)增到到390V以上。所以在選擇額定電壓的時(shí)候，主要納入考慮的是充電結(jié)束后的電壓值以及蓄電池允許的最大電壓值。因此，電力電子器件的額定電壓通常選用600V的。器件的額定電流主要由電機(jī)的輸出功率和器件并聯(lián)數(shù)目決定。

大部分IGBT在單相或三相整流后的母線電壓下工作，母線電壓是直流電。需要考慮過(guò)載、電網(wǎng)波動(dòng)及開關(guān)引起的電壓最高值。通常會(huì)選擇IGBT的耐壓值是母線電壓的兩倍。倘若在應(yīng)用時(shí)，其結(jié)構(gòu)、布線以及吸收等設(shè)計(jì)過(guò)程比較順暢，那么使用耐壓性低的IGBT是可以適應(yīng)母線電壓的。其耐壓選擇就是:單相交流小于或等于230VAC，整流直流電源為350伏特，器件耐壓600伏特；三相交流為380至460VAC，整流直流電源600伏特，其最高可達(dá)900伏特，選擇器件耐壓為1200伏特。

當(dāng)下，IGBT最大容量的分立元是3300V/1200A，其工作頻率為20千赫茲。IGBT集成模塊的兩個(gè)單元部分的最大容量是600V／600A，六單元的最大容量是600V／200A。

3 IGBT在新能源汽車中的選用

3.1 IGBT柵極與發(fā)射極電壓的確定

如果所加驅(qū)動(dòng)電壓不夠滿足需要，那么IGBT是不能正常平穩(wěn)的運(yùn)行的；如果所加驅(qū)動(dòng)電壓偏高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UGE之間的耐壓值，那么就會(huì)給IGBT帶來(lái)永久性的損害。因此在選用驅(qū)動(dòng)維護(hù)電路的時(shí)候，務(wù)必斟酌電壓的范圍。

因?yàn)镮GBT輸入電容CIES比MOSFET較大（CIES=CCG+CGE，意為在C-E發(fā)生電路短路的狀態(tài)下，CCG和CGE的并聯(lián)值），所以在電子器件未接通的時(shí)候，需施加負(fù)偏壓，這個(gè)偏壓的數(shù)值在-5到-10伏特為最佳；而在開通的時(shí)候，器件的驅(qū)動(dòng)電壓為15V到16.5V或者13.5V到15V位最佳電壓數(shù)值。是由于器件的驅(qū)動(dòng)電壓為15伏特時(shí)能使IGBT處于飽和的工作狀態(tài)，而且這個(gè)時(shí)候的通態(tài)壓降也是不高的，同時(shí)還能對(duì)操縱短路電流和因其產(chǎn)生的應(yīng)力起到限制。若器件的驅(qū)動(dòng)電壓值小于12伏特，那對(duì)器件的通態(tài)傷害是很大的，還容易造成IGBT變成電壓驅(qū)動(dòng)不足的情況；若UGE的數(shù)值大于20 V，對(duì)電路的短路保護(hù)以及過(guò)電流都難實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，會(huì)讓IGBT的可靠運(yùn)行受到影響。當(dāng)靠近IGBT的G- E之間增加雙16伏特至18 伏特的穩(wěn)壓管，可以確保IGBT的UGE驅(qū)動(dòng)電壓是可靠的，如下圖2中所示。

3.2 IGBT柵極與發(fā)射極并接電阻R1

在IGBT柵極與發(fā)射極呈現(xiàn)開路時(shí)，在IGBT的集電極和發(fā)射極兩端之間增加電壓，由于此器件是MOS柵器件，有著特征電容CRES反轉(zhuǎn)電容的情況存在，即CRES=CGC，隨著集電極電位的變化，會(huì)出現(xiàn)柵極電位上升的情況，進(jìn)而使得IGB的dU/dt被開通，而C- E之間有電流經(jīng)過(guò)。若集電極和發(fā)射極都處在高壓的狀態(tài)，那么就很有可能使 IGBT發(fā)熱甚至產(chǎn)生損害。為了規(guī)避這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，就應(yīng)在G- E之間并聯(lián)一個(gè)幾十千歐的電阻R1，如上圖2。這個(gè)電阻安裝的位置應(yīng)該盡可能的離柵極和發(fā)射極近一點(diǎn)。

圖2 IGBT柵極驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路圖

3.3 柵極驅(qū)動(dòng)電阻R的選擇

制作IGBT驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電阻是相當(dāng)重要的。電阻R與IGBT的動(dòng)態(tài)特征有著很緊密的聯(lián)系，是因?yàn)镮GBT的接通與關(guān)閉是通過(guò)柵極電路的充電和放電實(shí)現(xiàn)的，因此。存在差異的柵極電阻是能讓輸入電容的充、放電時(shí)間產(chǎn)生變化的，運(yùn)用電阻R來(lái)使IGBT的關(guān)閉速度發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)它的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響。

電阻R的數(shù)值越小，柵電容充、放電所消耗的時(shí)間就會(huì)縮短，它開關(guān)的速度也會(huì)比較快，那么相對(duì)應(yīng)的開關(guān)所帶來(lái)的消耗就很低了。但若是出現(xiàn)了電路短路的現(xiàn)象，增加在反轉(zhuǎn)電容上的du/dt能使柵極電路有電流通過(guò)，如果通過(guò)的電流夠大時(shí)，會(huì)在柵極電阻上產(chǎn)生一定的電壓，會(huì)導(dǎo)致IGBT錯(cuò)誤接通的嚴(yán)重后果，或是在柵極驅(qū)動(dòng)的電路上發(fā)生振蕩，同時(shí)導(dǎo)致器件發(fā)生損害。如果電阻R比較小，在一定情況下會(huì)造成IGBT接通di/dt變大的問(wèn)題，致使du/dt較高。使得續(xù)流二極管處在恢復(fù)階段的電壓上升。反之電阻R若是較大，就會(huì)導(dǎo)致IGBT接通與關(guān)閉的速度，從而使開關(guān)的耗能變多，因此在選用電阻R的時(shí)是需要折中思考的。

有關(guān)電阻R的選用，第一步是需要靠IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電阻的推薦數(shù)值來(lái)選擇運(yùn)用，在一般情況下，需要通過(guò)器件的額定電壓來(lái)確定具體的型號(hào)，進(jìn)一步?jīng)Q定電阻R的選用區(qū)間，在選用的過(guò)程中，電阻R能夠在大于其范圍值的一到十倍以內(nèi)調(diào)整，這樣可以減少振蕩。器件處于低頻使用的狀態(tài)時(shí)，它的開關(guān)損害不能夠成為一個(gè)關(guān)鍵思考問(wèn)題，可以選擇在合適的程度上提高電阻R的數(shù)值以此來(lái)降低瞬間產(chǎn)生的電壓值，降低發(fā)生損害的可能性。

3.4 柵極驅(qū)動(dòng)布線

在柵極驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)施恰當(dāng)?shù)牟季?，這對(duì)降低噪聲損害、預(yù)防潛在的干擾以及降低驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)的動(dòng)作次數(shù)有著緊密的聯(lián)系，所以在驅(qū)動(dòng)電路布線的時(shí)候應(yīng)該思考以下四個(gè)方面。

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的連線時(shí)需要盡可能的使用短線。因?yàn)樽顑?yōu)辦法是把驅(qū)動(dòng)電路與吸收電路裝置在相同的PCB板上，再裝置上IGBT器件。

若是裝置在相同的一個(gè)PCB板上無(wú)法實(shí)現(xiàn)的話，那么為了預(yù)防主電路、驅(qū)動(dòng)電路以及控制電路的互相影響，在一般情況下，驅(qū)動(dòng)的連線使用的是大于或等于2r/cm的雙絞線，同時(shí)被放置適合的柵極驅(qū)動(dòng)電路板或者屏蔽驅(qū)動(dòng)電路。

由于寄生電容的存在耦合du/dt會(huì)出現(xiàn)一些干擾，為了防止高端和低端回路的發(fā)生，在進(jìn)行布線的時(shí)候需要盡可能的降低寄生電容的數(shù)值。

使用使用光耦隔離控制與高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)候，應(yīng)選擇共模抑制比大于10kV/μs的高速光耦。如上圖2中V1、V2為驅(qū)動(dòng)功率推挽擴(kuò)大，通過(guò)高速光耦隔離后的信號(hào)通過(guò)V1、V2推挽擴(kuò)大。

3.5 IGBT器件防靜電

IGBT器件是功率MOSFET與PNP雙極晶體管的結(jié)合體，所以對(duì)靜電壓有著極其敏感的反應(yīng)，特別是對(duì)柵極為MOS結(jié)構(gòu)的。如果有用手觸碰IGBT器件的必要，那么在觸碰之前，應(yīng)把人體的靜電進(jìn)行放電以后，再進(jìn)行相關(guān)觸碰工作，特別是在觸碰器件的驅(qū)動(dòng)端子部分。除此之外還需要注意，由IGBT器件組成的電源設(shè)施必須擁有穩(wěn)當(dāng)?shù)慕拥剞k法。

同時(shí)，應(yīng)注意環(huán)境濕度會(huì)對(duì)積累靜電和靜電的消除有影響。濕度處在低水平時(shí)，靜電就處于較高水平；反之，濕度處在較高水平時(shí)，靜電就是較低水平。因此，為了優(yōu)化材料的電導(dǎo)率，涂上防靜電涂料是一個(gè)很好的辦法，這對(duì)靜電荷的散放有著很好效果，能夠快速地除去材料表面附著的靜電荷。如果屬于靜電敏感型的電力電子器件就不應(yīng)該在使用時(shí)間之前拿出原封裝，并且要注意進(jìn)行正確地操作，盡量做到不觸碰到靜電敏感型器件管腿。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著電力電子器件的運(yùn)用和發(fā)展，特別是IGBT在各種不同領(lǐng)域的接合與使用，這都給器件的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)。在選擇使用IGBT時(shí)，不僅要考慮它的類型與特點(diǎn)是否適合運(yùn)用在某種條件下，還需要考慮它的耐壓性等因素。在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，還應(yīng)該實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)措施，以確保IGBT器件在使用時(shí)發(fā)揮它的效果并保護(hù)它不被損壞，能夠正常的運(yùn)行。IGBT器件與其他領(lǐng)域的配合使用還有待發(fā)掘與完善，進(jìn)而提高電力電子器件的使用效率。