全球经济化条件下lGBT软开关应用与开发

一、IGBT溉述

正常IGBT的工作频率在10—20kHz，其开关速度比GTO、IGCT快得多。在交流电动机变频调速中，它是较好的选择。它在中小容量装置中淘汰功率双极晶体管(GTR)已成定论。IEGT在高电压领域中保持快速开关特性。在20世纪末，采用特殊结构和特殊少子寿命控制(如质子注入加特殊退火工艺规范)的IGBT，在600—1200V电压水平下，使工作频率达到150kHz(硬开关)和300kHz(软开关)，被称为霹雳型IGBT。它们将在开关电源中与功率MOSFET竞争，以其导通压降小，电流密度大，电压等级高，成本低等优点占有优势。今后十年的开关电源，也许这种IGBT的市场份额将会扩大。

二、零电压IGBT软开关

1、硬开关与软开关

(1)硬开关：开关的开通与关断伴随着电压和电流的剧烈变化，产生较大的开关损耗和开关噪声。

(2)软开关：在主电路中加上小电感或电容等谐振元件，这样开关管的通、断前后引入谐振，开关条件得到改善，从而降低开关损耗和开关噪声。

2、电压IGBT软开关

IGBT是功率MOSFET和双极型晶体管组成的复合器件，IGBT比起MOSFET的优越性在于它可以节约硅片的面积及具有双极型晶体管的电流特性。

3、电路组成

感应加热电源随着工业的发展要求，其功率越做越大。这样，在中小功率场合广泛应用的MOSFET已不能满足功率要求。在高压大功率的电源上，IGBT成为主角。可是IGBT具

有较大的功率损耗。我们在移相全桥PWM硬开关的基础上，增加一个谐振电感，形成了应用IGBT的PB—ZVS—PWM变换器。

4、输入低电压限制

该电源的最低输入电压为320V，当输入的电压低于正常工作需要的最低电压时，正常的情况下一般要进行关机操作，但是，这样会使电压型控制的电源进入“闭锁”模式，即输出的占空比达到最大值，无法对输出进行调节，当输入电压又回到正常值时，就会损坏电源和负载。另外，输入电压越低，通过功率开关管的电流就‘越大，会使开关管因功耗过大而损坏，为此我们在输入端上用一个简单的电压比较器而很好地解决了此问题。

三、IGBT的驱动保护

用IGBT作电源，工作在高速大功率开关状态时，要使它安全可靠的

工作，必须合理设计驱动电路，根据IGBT的特点，我们在设计时主要考虑了以下几个方面的问题：

(1)选择合适的栅极正向驱动

电压：从减小通态损耗的角度考虑，栅极正向电压越高越好，但是，过高的正向栅极电压将降低IGBT的短路承受能力，因此，我们采用折中的方法，取了一个15V左右的电压，收到了较好的效果。

(2)加入5V反偏电压，利于IG—BT的快速关断：本条内容已在2.2中提到。

(3)为了改善控制脉冲的前沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，根据IGBT电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的栅极串联电阻值。

(4)为了阻止当集射极间加有高压时易受外界干扰而使栅射电压过高引起器件误导通的现象发生。在栅射间并接入一个栅射电阻解决了此问题。另外，为了防止栅极驱动电路出现高压尖峰，我们在栅射间并接了两只反向串联的稳压二极管，其稳压值与正栅压和负栅压相同，但方向相反。

(5)IGBT超音频感应加热频繁起停，需要对功率器件IGBT进行过流保护，IGBT一般能抵抗约10us的短路电流。我们通过采取对过流信号延迟搜索的方法，即当过流故障信号来临时，先将栅压从+15V降至某一设定值，延时10斗s左右，再进行检测，若故障已消失，栅压又自动恢复到+15V左右，若仍处于过流状态，则将栅压降至零伏或以下，使IGBT截止。

四、结语

进入21世纪以来，作为强电一弱电接口、推进现代先进制造技术关键的电力电子正方兴未艾地在世界上发展。今后十年是中国社会从小康走向初步富裕的重要时期，作为一个发展中国家，发展电力电子正是完成工业化、推广信息化的重大举措。我们将看到今后十年有关电力电子的新思想、新理论、新技术、新材料、新产品、新应用将在政产学研各界的共同努力下，不断涌现，为持续造福于人民做出应有贡献