IGBT应用技术的讨论

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。
一般大功率变流器由2个IGBT半桥组成单相桥，由3个IGBT半桥组成三相桥。在某个半桥有IGBT关断时产生电压尖峰，该电压尖峰通过直流母线干扰其他半桥正在导通的IGBT。是传导干扰，电压尖峰通过接在IGBT集电极的检测二极管（结电容）导入驱动器电路。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。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。

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。