1 引言
80年代问世的绝缘栅双*性晶体管igbt是*种新型的电力电子器件，它综合了gtr和mosfet的优点，控制方便、开关速度快、工作频率高、安全工作区大。随着电压、电流等*的不断提高，igbt成为了大功率开关电源、变频调速和有源滤波器等装置的理想功率开关器件，在电力电子装置中得到非常广泛的应用。
随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展，开关器件在应用中潜在的问题越来越凸出，开关过程引起的电压、电流过冲，影响到了逆变器的工作效率和工作可靠性。为解决以上问题，过电流保护、散热及减少线路电感等措施被积*采用，缓冲电路和软开关技术也得到了广泛的研究，取得了迅速的进展。本文就针对这方面进行了综述。
2 igbt的应用*域
2.1 在变频调速器中的应用[3]
spwm变频调速系统的原理框图如图1所示。主回路为以igbt为开关元件的电压源型spwm逆变器的标准拓扑电路，电容由*个整流电路进行充电，控制回路产生的spwm信号经驱动电路对逆变器的输出波形进行控制;变频器向异步电动机输出相应频率、幅值和相序的三相交流电压，使之按*定的转速和旋转方向运转。
图1 变频调速系统原理框图
2.2 在开关电源中的应用[5]
图2为典型的ups系统框图。它的基本结构是*套将交流电变为直流电的整流器和充电器以及把直流电再变为交流电的逆变器。蓄电池在交流电正常供电时贮存能量且维持正常的充电电压，处于“浮充”状态。*旦供电超出正常的范围或中断时，蓄电池立即对逆变器供电，以保证ups电源输出交流电压。
图2 ups系统框图
ups逆变电源中的主要控制对象是逆变器，所使用的控制方法中用得*为广泛的是正弦脉宽调制(spwm)法。
2.3 在有源滤波器中的应用[6]
图3 有源滤波系统原理图
并联型有源滤波系统的原理图如图3所示。主电路是以igbt为开关元件的逆变器，它向系统注入反向的谐波值，理论上可以*滤除系统中存在的谐波。与变频调速器不同的是，有源滤波器pwm控制信号的调制波是需要补偿的各次谐波的合成波形，为了能精确的反映出调制波的各次谐波成分，必须大大提高载波的频率。这对开关器件的开关频率也提出了更高的要求。
3 igbt应用中的常见问题分析
显然，igbt是作为逆变器的开关元件应用到各个系统中的，常用的控制方法是pwm法。理论上和事实上�*丫っ鳎绻裵wm逆变器的开关频率提高到20khz以上，逆变器的噪声会更小，体积会更小，重量会更轻，输出电压波形会更加正�*杉咂祷悄姹浼际醴⒄狗较騕1]。但是通常的pwm逆变器中，开关器件在高电压下导通，在大电流下关断，处于强迫开关过程，在高开关频率下运行时将受到如下*系列因素的限制:
(1) 产生擎住效应或动态擎住效应
图4 igbt内部结构电路图
igbt为四层结构，使体内存在*个寄生晶闸管，等效电路如图4所示。在npn管的基*与发射*之间存在*个体区短路电rs，p型体区的横向空穴流会产生*定的压降，对j3来说相当于*个正偏置电压。在规定的范围内，这个正偏置电压不大，npn管不会导通。当ic大于*定程度时，该正偏置电压足以使npn管开通，进而使npn和pnp管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，栅*失去控制作用，即擎住效应，它使ic增大，造成过高的功耗，甚至导致器件损坏。温度升高会使得igbt发生擎住的icm严重下降[2]。
在igbt关断的动态过程中，如果dvce/dt越高，则在j2结中引起的位移电流cj2dvce/dt越大，当该电流流过体区短路电阻rs时，可产生足以使npn晶体管开通的正向偏置电压，满足寄生晶闸管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。温度升高会加重igbt发生动态擎住效应的危险。
(2) 过高的di/dt会通过igbt和缓冲电路之间的线路电感引起开关时的电压过冲
图5 线路电感不为零时的开关过程
以线路电感lб≠0时电路进行分析，如图5所示，关断过程中，感性负载电流iб保持不变，即iб=it+id保持不变，it从零增大到iб。由于二*管d导通，voe=0，由于it随时间线性减小，电感lб两端感应电压vl=vbc=lбdit/dt应为负值, vcb为正值, 即c点电位高于b点电位。
由于 it=i0(1-t/tfi)
故 vl=vbc=lбdit/dt=-lбi0/tfi<0
vcb= -vbc= lбi0/tfi
在it下降的tfi期间，开关两端电压
vt=vcem=vd-vl=vd+lбi0/tfi
因此, 在关断过程*开始，vt立即从零上升到vcem, it在从i0下降至零期间, vt=vcem不变。直到it=0、id=i0以后, vt才下降为电源电压vd，如图5(b)所示。vcem超过vd的数值取决于lб、tfi和负载电流i0, 显然过快的电流下降率di/dt(即tfi小)、过大的杂散电感l�*蚋涸氐缌鞴蠖蓟嵋鸸囟鲜痹现毓缪�, 且伴随着很大的功耗。
可见，尽管igbt的快速开通和关断有利于缩短开关时间和减小开关损耗，但过快的开通和关断，在大电感负载下，反而是有害的，开通时，存在续流二*管反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，则开通越快，igbt承受的峰值电流也就越大，甚至急剧上升，导致igbt或者续流二*管损坏。关断时，大电感负载随igbt的超速开通和关断，将在电路中产生高频、幅值很高而宽度很窄的尖峰电压ldi/dt，常规的过电压吸收电路由于受到二*管开通速度的限制难以吸收该尖峰电压，因而vce陡然上升产生过冲现象，igbt将承受较高的dvce/dt冲击，有可能造成自身或电路中其它元器件因过电压击穿而损坏。
(3) 在开通和关断瞬间开关器件的状态运行轨迹超出反向安全工作区(rbsoa);
反向安全工作区(rbsoa)是由*大集电*电流icm、*大集射*间电压vce和电压上升率dvce/dt三条*限边界线围成的，随igbt关断时的在加dvce/dt而改变，dvce/dt越高，rbsoa越窄，因此在开通和关断瞬间产生的高dvce/dt将会使开关器件的状态运行轨迹更容易超出rbsoa，影响开关可靠性。
(4) 二*管反向恢复时的dv/dt和igbt关断时的浪涌电压会在开关时产生过流。
众所周知，igbt存在弥勒电容ccg和输入电容cge，igbt两端的电压过冲会通过ccg耦合栅*，使栅*电压瞬时升高，因为栅*负偏压和输入电容cge的存在，这时栅*电压所达到的高度比集电*的过冲要低的多，但它还是可能超过门槛值而使本应截止的管子导通，因此上下桥臂直通而过电流[7]。
如果由此引起的门*电压足以使管子进入饱和，则已不是直通而是短路了。在集电*电压过冲后的震荡衰减过程中这种过流或短路也会连续多次出现，实验证明这*现象确实存在。
4 常用的解决方法
对于以上问题，*般采取的实用性措施有:选用有效的过流保护电路、采用*感线路、积*散热、采用吸收电路和软开关技术。
4.1 选用有效的过流保护驱动电路
在igbt的应用中，关键是过流保护。igbt能承受的过流时间仅为几微秒，这与scr、gtr(几十微秒)等器件相比要小得多，因而对过流保护的要求就更高了。igbt的过电流保护可分为两种类型，*种是低倍数(1.2~1.5倍)的过载电流保护; 另*种是高倍数(8~10倍)的短路电流保护。对于过载保护可采用瞬时封锁门*脉冲的方法来实现保护。对于短路电流保护，加瞬时封锁门*脉冲会因短路电流下降的di/dt太大，*易在回路杂散电感上感应出很高的集电*电压过冲击穿igbt，使保护失效[8]。
因此对igbt而言，可靠的短路电流保护应具备下列特点:
(1) *先应软降栅压，以限制短路电流峰值，延长允许短路时间，为保护动作赢得时间;
(2) 保护切断短路电流应实施软关断
igbt驱动器exb841、m57962和hl402b均能满足以上要求。但这些驱动器不能彻底封锁脉冲，如不采取措施在故障不消失情况下会造成每周期软关断保护*次的情况，这样产生的热积累仍会造成igbt的损坏。为此可利用驱动器的故障*测输出端通过光电耦合器来彻底封锁门*脉冲，或将工作频率降低至1hz以下，在故障消失时自动恢复至正常工作频率[9]。
如图6所示，igbt的驱动模块m57962l上自带保护功能，*测电路*测到*测输入端1脚为15v高电平时，判定为电流故障，立即启动门关断电路，将输出端5脚置低电平，使igbt截止，同时输出误差信号使故障输出端8脚为低电平，以驱动外接保护电路工作，延时8~10μs封锁驱动信号，这样能很好地实现过流保护。经1~2ms延时后，如果*测出输入端为高电平，则m57962l复位至初始状态。
图6 m57962l内部结构框图
4.2 采用*感线路
由前面的分析可知，相对于同样的di/dt，如果减小杂散电感lб的数值，同样可以缓减关断过程的dvce/dt。对于功率较大的igbt装置，线路寄生电感较大，可用两条宽而薄的母排，中间夹*层绝缘材料，相互紧叠在*起，构成低�*赶撸灿�*门的生产厂*为装置配套制作*�*赶摺�*�*赶呓档偷缪构宓囊庖宀唤鑫吮苊夤骰蚨搪罚乖谟诩跚嵛盏缏返母旱＃蚧盏缏方峁梗跎傥盏缱韫模跎倌姹淦鞯奶寤Ｕ庖彩呛芰钊斯刈⒌奈侍鈁7]。
4.3 积*散热
igbt在开通过程中，大部分时间是作为mosfet来运行的，只是在集射电压vce下降过程后期，pnp晶体管由放大区至饱和区，增加了*段延缓时间，使vce波形被分为两段。igbt在关断过程中，mosfet关断后，pnp晶体管中的存储电荷难以迅速消除，使集电*电流波形变为两段，造成集电*电流较大的拖尾时间。显然，开通关断时间的延迟会增加开关损耗，并且，每开通关断*次损耗就会累加，如果开关频率很高，损耗就会很大，除了降低逆变器的效率以外，损耗造成的*直接的影响就是温度升高，这不仅会加重igbt发生擎住效应的危险，而且，会延长集电*电流的下降时间和集射电压的上升时间，引起关断损耗的增加。显然，这是*个恶性循环，因此，为igbt提供良好的散热条件是有效利用器件，减少损耗的主要措施。除了正确安装散热器外，安装风扇以增强空气流通，可以有效的提高散热效率。
4.4 软开关技术的应用
软开关技术是在电路中增加了小电感、电容等谐振元件, 在开关过程前后引入谐振, 使开关条件得以改善, 从而抑制开关过程的电压、电流过冲, 提高开关可靠性。目前, 适用于dc/dc和dc/ac变换器的软开关技术有如下几种[10]:
(1) 谐振型变换器
谐振型变换器是负载r与lc电路组成的负载谐振型变换器，其谐振元件在整个开关周期中*直工作，这种变换器的工作状态与负载的关系很大，对负载的变化很敏感。
(2) 准谐振型变换器qrcs
如图7所示(a)(b)分别为零电压准谐振电路和零电流准谐振电路，这类变换器的谐振元件只参与能量变换的某*阶段而不是全过程，*般采用脉冲频率调制法调控输出电压和输出功率。
图7 准谐振电路的基本开关单元
(3) 谐振型直流环节逆变器rdcli
图8 谐振直流环电路原理图
在逆变器直流母线与直流输入端之间加入*个辅助lc谐振回路，如图8所示，工作时启动lc电路不断地谐振，使并联在直流母线上的电容电压vc周期性地变为零，从而为后面的逆变桥的开关器件创造零电压开关条件。该电路中电压vc的谐振峰值很高，增加了对开关器件耐压的要求。
(4) 零开关pwm变换器
这类变换器是在qrcs基础上加入*个辅助开关管来控制谐振元件的谐振过程，仅在需要开关状态转变时才启动谐振电路，为开通或关断制造零电压或零电流条件。如图9所示(a)为零电压pwm开关电路，(b)为零电流pwm开关电路，变换器可按恒定频率的pwm方式运行，但是由于谐振电感是与主开关管串联，lr除承受谐振电流外还要提供负载电流，这样电源供给负载的全部能量�*痴竦绺衛r，使得电路中存在很大的环流能量，增大电路的导通损耗; 此外，lr的储能*大的依赖输入电压和负载电流，电路很难在很宽的输入电压变化范围和负载电流大范围变化时满足零电压、零电流开关条件。
图9 零开关pwm电路的基本开关
(5) 零转换pwm变换器
如果将谐振电感lr及其辅助开关电路改为与主开关并联，主开关通态时，lr中不流过负载电流，仅在“开通”与“关断”时启动辅助开关电路形成主开
关管的零电压或零电流条件, 改变主开关通、断状态，开通或关断电路。这时辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流压力, 逆变器可以在很宽的输入电压范围和负载电路范围内工作在软开关状态，且电路中的*功交换被削减到*小。这种pwm变换器称为零转换pwm变换器，如图10所示:(a)为零电压转换pwm开关电路，(b)为零电流转换pwm开关电路。电路简单, 效率高是他们的主要特点。
图10 零转换pwm电路的基本开关单元
软开关技术需要附加额外的开关元件、辅助电源、*测手段、控制策略等，辅助开关驱动电路要与主开关驱动电路隔离，且对辅助电路提出了更快的开关时间要求。电路与控制的复杂化带来了成本的提高与可靠性的降低，故许多软开关技术的推广应用受到很大的限制。如果软开关技术采用新的驱动技术，可使用与主开关驱动信号有简单逻辑关系的信号控制辅助开关，甚至由电路进行自驱动，那么控制、*测、驱动等附加电路可全部去掉，这将是软开关技术发展的方向之*。
4.5 吸收电路
吸收电路，又称缓冲电路。它利用*源器件通过参数匹配使主开关管工作于零电压或零电流状态，达到抑制电力电子器件的关断时过电压、开通时过电流，减小器件的开关损耗的目的。吸收电路*般分为两类:
(1) 吸收电路中储能元件的能量如果消耗在其吸收电阻上，称其为耗能式吸收电路;
(2) 若吸收电路能够将其储能元件的能量回馈给负载或电源，称其为能量回馈型吸收电路，或称为*损吸收电路。
传统的耗能式吸收电路把能量通过电阻泄放，主管开关损耗的降低以额外吸收损耗的增加为代价，而*损吸收技术能够将储能元件中的能量回馈至电源、负载或大幅削减其数值，大大增加吸收强度,达到软开关目的[4]。
实现桥臂*损吸收见诸文献的大约有如图11所示几种。图11(a)(e)[12]电路从理论上实现了逆变器桥臂的*源*损吸收，但用作能量回馈的变压器，其副边的二*管耐压值过高是该电路的致命弱点; 图11(c)(d)[11]实际上是用于桥式dc-dc变换器的结构, 这*拓扑中电感单纯用作抑制吸收电容充放电电流,
图11 几种*源*损耗吸收电路
对于*般逆变桥臂则起不到开通缓冲的作用; 图11(b)[13]是*损吸收电路研究的*新水平，它*用lcd网络实现*损吸收, 避免了互感元件带来的*系列问题, *大限度地归并元件, 工程适用化程度高; 但也存在*些问题,如主开关关断冲击电压和开通电流过冲相互制约, 且负载依赖性大, 工作适应范围小, 设计、安装难度大，多相臂间可能相互影响等。吸收电路是*早被采用的开关应力改善方法[14][15]。相比软开关技术，他在变换效率、可靠性等指标上以及性价比方面占优。但也存在*些缺点:具有较强负载依赖性; 使用变压器时，负边二*管耐压值过高; 吸收网络分析困难，附加损耗大等，这些都是与*源方式的固有性质相关联的。
5 结束语
为降低pwm逆变器中的功率元件igbt高频工作下的开关损耗,改善线路电感分布电容等因素对开关及其工作过程的影响，抑制开关在开通和关断时的di/dt和dv/dt,本文介绍了多种解决方法。
选用带有效过流保护的驱动电路是igbt开关逆变器正常工作的前提，目前*内外常用的igbt驱动电路模块都带有过流保护功能，对短路电流能够正确的判断并采取相应措施，对开关器件实现可靠的保护。
积*散热是必不可少的措施，虽然它不能从本质上降低开关损耗，提高开关可靠性，但保持*定的冷却条件不仅可以减少发生擎住效应的危险，也可以在*定程度上抑制开关损耗。
软开关是在开关处于零电压或零电流状态时开通或关断，则理论上由于元件在开关前后状态不变，即di/dt＝0或dv/dt＝0，就没有了过压和过流的问题，而且，开关速度不受影响，损耗就减少了。但为了制造软开关，开通状态下的电压电流难免会作相应的变化(振荡)，增加通态损耗，由于导通压降不是很大，损耗不会增加很多。
吸收电路是将在元件开关过程中产生的过压和过流等多余的能量吸收，并存储在储能元件里，等开关处于稳定状态时，再想办法把储存的能量反馈到电源和负载中，以提高逆变器的效率。
采用*�*赶呖梢约跚嵛盏缏返母旱＃蚧盏缏方峁梗档臀盏缱韫模跎倌姹淦鞯奶寤�
以上几项措施的采用，使得igbt即便在高开关频率下也能安全、经济、可靠的运行。