80年代問世的絕緣柵雙極性晶體管IGBT是一種新型的電力電子器件，它綜合了GTR和MOSFET的優點，控制方便、開關速度快、工作頻率高、安全工作區大。隨著電壓、電流等級的不斷提高，IGBT成為了大功率開關電源、變頻調速和有源濾波器等裝置的理想功率開關器件，在電力電子裝置中得到非常廣泛的應用。

隨著現代電力電子技術的高頻大功率化的發展，開關器件在應用中潛在的問題越來越突出，開關過程引起的電壓、電流過沖，影響到了逆變器的工作效率和工作可靠性。為解決以上問題，過電流保護、散熱及減少線路電感等措施被積極采用，緩沖電路和軟開關技術也得到了廣泛的研究，取得了迅速的進展。本文對這方面進行了綜述。

IGBT的應用領域

IGBT在變頻調速器中的應用

SPWM變頻調速系統的原理框圖如圖1所示。主回路為以IGBT為開關元件的電壓源型SPWM逆變器的標準拓撲電路，電容由一個整流電路進行充電，控制回路產生的SPWM信號經驅動電路對逆變器的輸出波形進行控制;變頻器向異步電動機輸出相應頻率、幅值和相序的三相交流電壓，使之按一定的轉速和旋轉方向運轉。

IGBT在開關電源中的應用

圖2為典型的UPS系統框圖。它的基本結構是一套將交流電變為直流電的整流器和充電器以及把直流電再變為交流電的逆變器。蓄電池在交流電正常供電時貯存能量且維持正常的充電電壓，處于“浮充”狀態。一旦供電超出正常的范圍或中斷時，蓄電池立即對逆變器供電，以保證UPS電源輸出交流電壓。

UPS逆變電源中的主要控制對象是逆變器，所使用的控制方法中用得最為廣泛的是正弦脈寬調制(SPWM)法。

IGBT在有源濾波器中的應用

并聯型有源濾波系統的原理圖如圖3所示。主電路是以IGBT為開關元件的逆變器，它向系統注入反向的諧波值，理論上可以完全濾除系統中存在的諧波。與變頻調速器不同的是，有源濾波器pwm控制信號的調制波是需要補償的各次諧波的合成波形，為了能精確的反映出調制波的各次諧波成分，必須大大提高載波的頻率。這對開關器件的開關頻率也提出了更高的要求。

IGBT應用中的常見問題分析

顯然，IGBT是作為逆變器的開關元件應用到各個系統中的，常用的控制方法是pwm法。理論上和事實上都已經證明，如果把pwm逆變器的開關頻率提高到20khz以上，逆變器的噪聲會更小，體積會更小，重量會更輕，輸出電壓波形會更加正弦化，可見，高頻化是逆變技術發展方向。但是通常的pwm逆變器中，開關器件在高電壓下導通，在大電流下關斷，處于強迫開關過程，在高開關頻率下運行時將受到如下一系列因素的限制：

(1) 產生擎住效應或動態擎住效應

IGBT為四層結構，使體內存在一個寄生晶閘管，等效電路如圖4所示。在npn管的基極與發射極之間存在一個體區短路電rs,p型體區的橫向空穴流會產生一定的壓降，對j3來說相當于一個正偏置電壓。在規定的范圍內，這個正偏置電壓不大，npn管不會導通。當ic大于一定程度時，該正偏置電壓足以使 npn管開通，進而使npn和pnp管處于飽和狀態，于是寄生晶閘管開通，柵極失去控制作用，即擎住效應，它使ic增大，造成過高的功耗，甚至導致器件損壞。溫度升高會使得IGBT發生擎住的icm嚴重下降。

在IGBT關斷的動態過程中，如果dvce/dt越高，則在j2結中引起的位移電流cj2dvce/dt越大，當該電流流過體區短路電阻rs時，可產生足以使npn晶體管開通的正向偏置電壓，滿足寄生晶閘管開通擎住的條件，形成動態擎住效應。溫度升高會加重IGBT發生動態擎住效應的危險。

(2)過高的di/dt會通過IGBT和緩沖電路之間的線路電感引起開關時的電壓過沖

以線路電感lб≠0時電路進行分析，如圖5所示，關斷過程中，感性負載電流iб保持不變，即iб=it+id保持不變，it從零增大到iб。由于二極管d導通，voe=0,由于it隨時間線性減小，電感lб兩端感應電壓vl=vbc=lбdit/dt應為負值，

因此，在關斷過程一開始，vt立即從零上升到vcem,it在從i0下降至零期間，vt=vcem不變。直到it=0、id=i0以后，vt才下降為電源電壓vd,如圖5(b)所示。vcem超過vd的數值取決于lб、tfi和負載電流i0,顯然過快的電流下降率di/dt(即tfi小)、過大的雜散電感lб或負載電流過大都會引起關斷時元件嚴重過電壓，且伴隨著很大的功耗。

可見，盡管IGBT的快速開通和關斷有利于縮短開關時間和減小開關損耗，但過快的開通和關斷，在大電感負載下，反而是有害的，開通時，存在續流二極管反向恢復電流和吸收電容器的放電電流，則開通越快，IGBT承受的峰值電流也就越大，甚至急劇上升，導致IGBT或者續流二極管損壞。關斷時，大電感負載隨IGBT的超速開通和關斷，將在電路中產生高頻、幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓ldi/dt,常規的過電壓吸收電路由于受到二極管開通速度的限制難以吸收該尖峰電壓，因而vce陡然上升產生過沖現象，IGBT將承受較高的dvce/dt沖擊，有可能造成自身或電路中其它元器件因過電壓擊穿而損壞。

(3) 在開通和關斷瞬間開關器件的狀態運行軌跡超出反向安全工作區(rbsoa)

反向安全工作區(rbsoa)是由最大集電極電流icm、最大集射極間電壓vce和電壓上升率dvce/dt三條極限邊界線圍成的，隨IGBT關斷時的在加dvce/dt而改變，dvce/dt越高，rbsoa越窄，因此在開通和關斷瞬間產生的高dvce/dt將會使開關器件的狀態運行軌跡更容易超出rbsoa,影響開關可靠性。

(4) 二極管反向恢復時的dv/dt和IGBT關斷時的浪涌電壓會在開關時產生過流

眾所周知，IGBT存在彌勒電容ccg和輸入電容cge,IGBT兩端的電壓過沖會通過ccg耦合柵極，使柵極電壓瞬時升高，因為柵極負偏壓和輸入電容cge的存在，這時柵極電壓所達到的高度比集電極的過沖要低的多，但它還是可能超過門檻值而使本應截止的管子導通，因此上下橋臂直通而過電流。

如果由此引起的門極電壓足以使管子進入飽和，則已不是直通而是短路了。在集電極電壓過沖后的震蕩衰減過程中這種過流或短路也會連續多次出現，實驗證明這一現象確實存在。

常用的解決方法

對于以上問題，一般采取的實用性措施有：選用有效的過流保護電路、采用無感線路、積極散熱、采用吸收電路和軟開關技術。

1 選用有效的過流保護驅動電路

在IGBT的應用中，關鍵是過流保護。IGBT能承受的過流時間僅為幾微秒，這與scr、GTR(幾十微秒)等器件相比要小得多，因而對過流保護的要求就更高了。IGBT的過電流保護可分為兩種類型，一種是低倍數(1.2~1.5倍)的過載電流保護;

另一種是高倍數(8~10倍)的短路電流保護。對于過載保護可采用瞬時封鎖門極脈沖的方法來實現保護。對于短路電流保護，加瞬時封鎖門極脈沖會因短路電流下降的di/dt太大，極易在回路雜散電感上感應出很高的集電極電壓過沖擊穿IGBT,使保護失效。

因此對IGBT而言，可靠的短路電流保護應具備下列特點：

(1) 首先應軟降柵壓，以限制短路電流峰值，延長允許短路時間，為保護動作贏得時間;

(2) 保護切斷短路電流應實施軟關斷

IGBT驅動器exb841、m57962和hl402b均能滿足以上要求。但這些驅動器不能徹底封鎖脈沖，如不采取措施在故障不消失情況下會造成每周期軟關斷保護一次的情況，這樣產生的熱積累仍會造成IGBT的損壞。為此可利用驅動器的故障檢測輸出端通過光電耦合器來徹底封鎖門極脈沖，或將工作頻率降低至1hz以下，在故障消失時自動恢復至正常工作頻率。

如圖6所示，IGBT的驅動模塊m57962l上自帶保護功能，檢測電路檢測到檢測輸入端1腳為15v高電平時，判定為電流故障，立即啟動門關斷電路，將輸出端5腳置低電平，使IGBT截止，同時輸出誤差信號使故障輸出端8腳為低電平，以驅動外接保護電路工作，延時8~10μs封鎖驅動信號，這樣能很好地實現過流保護。經1~2ms延時后，如果檢測出輸入端為高電平，則m57962l復位至初始狀態。

2 采用無感線路

由前面的分析可知，相對于同樣的di/dt,如果減小雜散電感lб的數值，同樣可以緩減關斷過程的dvce/dt.對于功率較大的IGBT裝置，線路寄生電感較大，可用兩條寬而薄的母排，中間夾一層絕緣材料，相互緊疊在一起，構成低感母線，也有專門的生產廠家為裝置配套制作無感母線。無感母線降低電壓過沖的意義不僅為了避免過流或短路，還在于減輕吸收電路的負擔，簡化吸收電路結構，減少吸收電阻功耗，減少逆變器的體積。這也是很令人關注的問題 [7].

3 積極散熱

IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在集射電壓vce下降過程后期，pnp晶體管由放大區至飽和區，增加了一段延緩時間，使vce波形被分為兩段。IGBT在關斷過程中，MOSFET關斷后，pnp晶體管中的存儲電荷難以迅速消除，使集電極電流波形變為兩段，造成集電極電流較大的拖尾時間。顯然，開通關斷時間的延遲會增加開關損耗，并且，每開通關斷一次損耗就會累加，如果開關頻率很高，損耗就會很大，除了降低逆變器的效率以外，