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)代社會的發(fā)展給自然環(huán)境帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，能源危機、環(huán)境污染和氣候變化越來越被全世界的人們所關(guān)注著。二氧化碳排放量持續(xù)增長的中國也特別地關(guān)注再生能源的發(fā)掘，自從我國在二十一世紀(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)展中國家，由于我們的先發(fā)優(yōu)勢、勞動力充足的優(yōu)勢以及市場規(guī)模龐大等優(yōu)勢，我國的新能源汽車具備較大競爭力的。于此同時，采取新能源的發(fā)電技術(shù)越來越多，在推動了電力電子技術(shù)的發(fā)展與運用的同時，也促成了電力電子器件的龐大市場。

伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來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，同時給新能源帶來了新的發(fā)展機遇。

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，一端是陽極，另一端則是負(fù)極。它和電子線路里的二極管有一個相同點——單邊導(dǎo)電的性質(zhì)。此類器件的電源開關(guān)的實際操作只是通過它在主電源電路里增加給陽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，是不可以根據(jù)操縱數(shù)據(jù)信號來實現(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、陰兩端以外，還附加了一個控制門極。它在運作時除開必須在陽、陰兩端之間增加正方向性的電壓，與此同時還務(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相似點，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)控制信號的性質(zhì)分類

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

第一種通過增加在控制端與公共端之間的電壓來達(dá)到對器件開關(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)動信號也是加進(jìn)器件控制端與公共端兩者之間，其運用從控制端引入或抽出電流以實現(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載流子參加導(dǎo)電的狀況來歸類，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)動電路操縱方式簡單、應(yīng)用頻率高及其容積稍大的優(yōu)勢，它已經(jīng)逐漸替代了可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用。在開展實際應(yīng)用的情況下，必須將器件在哪一種靜態(tài)、動態(tài)性或是負(fù)載短路故障的運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電路及符號圖片如所示1所顯示。

圖1 IGBT等效電路和圖形符號

通常來講，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，它的最大電壓可以超過360V，然而在再生充電的過程中，蓄電池的電壓在很大幾率上會增到到390V以上。所以在選擇額定電壓的時候，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。需要考慮過載、電網(wǎng)波動及開關(guān)引起的電壓最高值。通常會選擇IGBT的耐壓值是母線電壓的兩倍。倘若在應(yīng)用時，其結(jié)構(gòu)、布線以及吸收等設(shè)計過程比較順暢，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)動電壓不夠滿足需要，那么IGBT是不能正常平穩(wěn)的運行的；如果所加驅(qū)動電壓偏高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UGE之間的耐壓值，那么就會給IGBT帶來永久性的損害。因此在選用驅(qū)動維護(hù)電路的時候，務(wù)必斟酌電壓的范圍。

因為IGBT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候，需施加負(fù)偏壓，這個偏壓的數(shù)值在-5到-10伏特為最佳；而在開通的時候，器件的驅(qū)動電壓為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)動電壓為15伏特時能使IGBT處于飽和的工作狀態(tài)，而且這個時候的通態(tài)壓降也是不高的，同時還能對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)動電壓值小于12伏特，那對器件的通態(tài)傷害是很大的，還容易造成IGBT變成電壓驅(qū)動不足的情況；若UGE的數(shù)值大于20 V，對電路的短路保護(hù)以及過電流都難實現(xiàn)預(yù)期的效果，會讓IGBT的可靠運行受到影響。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，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。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)一個幾十千歐的電阻R1，如上圖2。這個電阻安裝的位置應(yīng)該盡可能的離柵極和發(fā)射極近一點。

圖2 IGBT柵極驅(qū)動保護(hù)電路圖

3.3 柵極驅(qū)動電阻R的選擇

制作IGBT驅(qū)動電路時，選擇合適的柵極驅(qū)動電阻是相當(dāng)重要的。電阻R與IGBT的動態(tài)特征有著很緊密的聯(lián)系，是因為IGBT的接通與關(guān)閉是通過柵極電路的充電和放電實現(xiàn)的，因此。存在差異的柵極電阻是能讓輸入電容的充、放電時間產(chǎn)生變化的，運用電阻R來使IGBT的關(guān)閉速度發(fā)生變化，進(jìn)而對它的動態(tài)性能產(chǎn)生影響。

電阻R的數(shù)值越小，柵電容充、放電所消耗的時間就會縮短，它開關(guān)的速度也會比較快，那么相對應(yīng)的開關(guān)所帶來的消耗就很低了。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，如果通過的電流夠大時，會在柵極電阻上產(chǎn)生一定的電壓，會導(dǎo)致IGBT錯誤接通的嚴(yán)重后果，或是在柵極驅(qū)動的電路上發(fā)生振蕩，同時導(dǎo)致器件發(fā)生損害。如果電阻R比較小，在一定情況下會造成IGBT接通di/dt變大的問題，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)動電阻的推薦數(shù)值來選擇運用，在一般情況下，需要通過器件的額定電壓來確定具體的型號，進(jìn)一步?jīng)Q定電阻R的選用區(qū)間，在選用的過程中，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，它的開關(guān)損害不能夠成為一個關(guān)鍵思考問題，可以選擇在合適的程度上提高電阻R的數(shù)值以此來降低瞬間產(chǎn)生的電壓值，降低發(fā)生損害的可能性。

3.4 柵極驅(qū)動布線

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

在設(shè)計驅(qū)動電路的連線時需要盡可能的使用短線。因為最優(yōu)辦法是把驅(qū)動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PCB板上無法實現(xiàn)的話，那么為了預(yù)防主電路、驅(qū)動電路以及控制電路的互相影響，在一般情況下，驅(qū)動的連線使用的是大于或等于2r/cm的雙絞線，同時被放置適合的柵極驅(qū)動電路板或者屏蔽驅(qū)動電路。

由于寄生電容的存在耦合du/dt會出現(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)動信號的時候，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)動功率推挽擴大，通過高速光耦隔離后的信號通過V1、V2推挽擴大。

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，所以對靜電壓有著極其敏感的反應(yīng)，特別是對柵極為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，應(yīng)注意環(huán)境濕度會對積累靜電和靜電的消除有影響。濕度處在低水平時，靜電就處于較高水平；反之，濕度處在較高水平時，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很好的辦法，這對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)展帶來新的機會與挑戰(zhàn)。在選擇使用IGBT時，不僅要考慮它的類型與特點是否適合運用在某種條件下，還需要考慮它的耐壓性等因素。在實際運用時，還應(yīng)該實施相應(yīng)的保護(hù)措施，以確保IGBT器件在使用時發(fā)揮它的效果并保護(hù)它不被損壞，能夠正常的運行。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。