第四节 变频器中使用的电力电子器件IGBT与功能模块
变频器的应用技术及维修等方面的知识内容在电子类报刊上已有较多介绍，这对变频器技术的快速推广与普及发挥了重要的积极作用。随着国家大中专教育、高职、中职教育普及程度的提高，很多接受过专业教育的大中专毕业生走进了工厂企业，充实了企业的电气运行人员队伍，使这支队伍的素质有了大幅度的提高。这些高素质的电气运行人员希望在掌握上述常规知识技术的基础上，进一步学习变频器内部电路的结构形式、元器件特点，以便更好地驾驭这款高科技产品，创造出更好更强的社会经济效益。本节内容权作抛砖引玉，希望有更多的同行专家携手努力，共同培育这块必将丰富多彩的知识园地。
一、IGBT简介
1.IGBT的技术特点
GTO（门极关断晶闸管）和GTR（电力晶体管）是电流驱动器件，具有很强的通流能力，而它们的开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。电力MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是单极型电压驱动器件，它的开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小，驱动电路简单。因此这两种器件各有其优缺点。
IGBT（绝缘栅双极型晶体管）综合了GTR与MOSFET的优点，是以达林顿结构组成的一种新型电力电子器件。其主体部分与晶体管相同，有集电极C和发射极E，具有通流电流大，驱动功率小，驱动电路简单，开关速度快等良好的特性，自从20世纪80年代开始投入市场，应用领域迅速扩展，目前已经取代GTR和GTO，成为大、中功率电力电子设备的主导器件。该器件的工作电压和电流容量也在逐渐提高。
IGBT是GTR和MOSFET相结合的一种新器件，它的输入端和场效应晶体管相同，是绝缘栅结构，图1-9所示为IGBT的内部等效电路及图形符号。
图1-9 IGBT内部等效电路及图形符号
a）等效电路 b）图形符号
2.IGBT的技术参数
IGBT的主要技术参数有如下几个：
1）集电极最大允许电流ICM：IGBT在饱和导通状态下，允许持续通过的最大电流。
2）栅极驱动电压UGE：施加在栅极与发射极之间的电压。在变频器应用电路中，使IGBT饱和导通的UGE为12～20V，而当IGBT截止时，UGE为-15～-5V。
3）集电极-发射极额定电压UCEX：IGBT的栅极-发射极短路、管子处在截止状态下集电极与发射极之间能承受的最大电压。
4）开通时间与关断时间：电流从10%ICM上升到90%ICM所需要的时间，称作开通时间，用tON表示；电流从90%ICM下降到到10%ICM所需要的时间，称作关断时间，用tOFF表示。ICM是IGBT集电极最大允许电流值。
5）集电极-发射极饱和电压UCES：IGBT在饱和导通状态下，集电极与发射极之间的电压降。
6）漏电流ICEO：IGBT在截止状态下的集电极电流。
3.IGBT的使用注意事项
随着电子技术及计算机控制技术的发展，IGBT正日益广泛地应用于小体积、低噪声、高性能的电源、通用变频器和电机控制、伺服控制、不间断电源（UPS）等场合。IGBT在使用过程中，应注意如下问题：
1）一般IGBT的驱动级正向驱动电压UGE应保持在15～20V，这样可使IGBT的饱和电压较小，损耗降低，避免损坏管子。
2）关断IGBT的栅极驱动电压-UGE应大于5V，若这个负电压值太小，集电极电压变化率du/dt可能使管子误导通或不能关断。
3）栅极和驱动信号之间应加一个栅极驱动电阻RG，该电阻的阻值与管子的额定电流有关，可以在IGBT使用手册中查到。如果不加这个电阻，管子导通瞬间，可能产生电流和电压颤动，增加开关损耗。
4）设备短路时，IC电流会急剧增加，使UGE产生一个尖脉冲，这个尖脉冲会进一步增加IC电流，形成正反馈。为了保护管子，可在栅极—发射极间加一个稳压二极管，钳制G-E电压突然上升。当驱动电压为15V时，稳压管的稳压值可以为16V。
二、变频器中的模块逆变电路
在变频器中，由IGBT以及相应的驱动控制、保护电路构成完整的逆变电路，实现将直流电逆变为交流电的功能。逆变电路可以由分立元器件或具有各种功能的模块电路构成。随着技术的发展和进步，分立元器件构成的逆变电路已经退出历史舞台。
1.IGBT模块
在变频器的应用电路中，通常在IGBT的旁边反向并联一个二极管，而且经常做成模块形式，图1-10所示就是各种结构的IGBT模块。
图1-10 几种结构的IGBT模块
a）单管模块 b）双管模块 c）六管模块
2.EXB系列IGBT驱动模块及其应用
富士EXB系列IGBT驱动模块是目前国内市场应用较多的驱动模块，该系列中的一款驱动模块与IGBT管的连接电路如图1-11所示，图中方框内的电路就是EXB驱动模块，方框边线上的数字是模块的引脚编号。模块的2脚和9脚是20V的工作电源，2脚为正；3脚是模块的驱动输出端，在模块内连接由晶体管V1、V2组成的推挽电路的中点，对外经栅极电阻RG连接IGBT的栅极；在2脚和9脚之间，电阻R1和稳压管VS稳压一个5V电压，经模块1脚与IGBT的发射极连接；模块的6脚与IGBT的集电极连接，用于进行过电流保护。
CPU的控制信号从15脚和14脚输入。当15脚和14脚之间有输入信号时，该输入信号经隔离、放大器A放大，在a点形成高电位，使V1导通，V2截止，此时2脚的20V电压经V1、3脚、RG连接到IGBT的栅极G，使栅极G的电位为20V，而发射极E与1脚的5V连接，所以IGBT的栅极与发射极之间电压UGE=+20V-5V=+15V，IGBT饱和导通。
当15脚和14脚之间的输入信号为0时，a点为低电位，此时V1截止，V2导通，模块的3脚经V2与9脚的0V连接，这时的情况相当于IGBT的栅极为0V，发射极为5V，因此UGE=-5V。IGBT截止。
以上过程实现了驱动模块对IGBT的驱动控制。
3.IGBT的栅极电阻RG
在图1-11中，IGBT的栅极接有一个电阻RG，这个电阻的选择非常重要，这是因为IGBT的栅极G和发射极E之间存在着寄生的结电容CGE，这个电容的充放电将影响到IGBT的工作。RG阻值大，将延长IGBT的开通和关断时间；RG阻值太小，IGBT关断太快，将使IGBT的C、E极电压迅速从饱和导通状态时的低于3V上升到为500V以上，这将通过集电极和栅极之间的结电容电压UCG产生反馈电流iCG，对IGBT的关断起到阻碍作用，甚至发生误导通。因此，栅极电阻RG的连接必须的，不可缺少的。
栅极电阻的大小应严格按照IGBT的说明书选取。
图1-11 富士EXB系列驱动模块与IGBT的连接电路
4.驱动模块输出信号的放大
IGBT是电压控制型器件，其栅极与发射极之间的输入阻抗很大，吸收信号源的电流和消耗的驱动功率也很小，但由于栅极G与发射极E之间存在着结电容CGE，在驱动信号作用下，也会吸收电流。容量越大的IGBT，CGE也越大，吸收的电流也越大，而驱动模块输出电流有时不足20mA，甚至只有几毫安，所以对于在大容量变频器中使用的IGBT，驱动模块输出的驱动信号需要进行放大，如图1-12所示。
图1-12 驱动模块输出驱动信号的放大电路
在图1-12中，驱动模块输出端3脚与IGBT栅极之间接入了由V3和V4组成的推挽放大电路，将驱动信号进行再次放大，从而满足大容量IGBT的驱动需求。
5.智能电力模块IPM
智能电力模块IPM是电力集成电路的一种，有时也称作智能电力集成电路SPIC。
电力电子器件和配套的控制电路，过去都是分立元器件的电路装置，而今随着半导体技术及其相应工艺技术的成熟，已经可以将电力电子器件及其配套的控制电路集成在一个芯片上，形成所谓的电力集成电路。这种电路能集成电力电子器件、有源或无源器件、完整的控制电路、检测与保护电路，由于它结构紧凑、集成化程度高，从而避免了分布参数、保护延迟等一系列技术问题。
图1-13 富士智能电力模块IPM型号含义
图1-14 富士7MBP100RA060智能电力模块内部结构图
下面介绍变频器中较常用的以IGBT为主开关器件的IPM。目前几十千瓦以下的变频器已经开始采用这种集成度高、功能强大的器件IPM。富士公司R系列IPM的型号含义如图1-13所示。
图1-14所示为富士7MBP100RA060智能电力模块的内部结构图。模块内部包含7个IGBT和7个功率二极管。其中IGBT1～IGBT6构成三相逆变桥，VDF1～VDF6是与6个IGBT反向并联的回馈二极管。动力制动由IGBT7作为开关管，VDW是它的续流二极管。模块的16脚ALM端是报警信号输出端，可对模块的短路、控制电源欠电压、IGBT及VDF过电流、VDW过电流、IGBT芯片过热、外壳过热等各种运行异常实施保护，当ALM端有报警信号输出时，IGBT的电流通路被封锁，IPM受到保护。
由于IPM内部的驱动电路是专门针对内部的IGBT设计的，因此具有最佳的驱动条件。IPM还内含制动电路，即由IGBT7等电路组成，只要在外电路端子P与B之间接入制动电阻，就能实现制动。
7MBP100RA060智能电力模块的接线端子使用的符号及其含义如表1-2所示。
表1-27 MBP100RA060智能电力模块的接线端子符号及其含义
（续）
图1-15 IPM模块在变频器中的应用电路
使用IPM模块构成的变频器应用系统如图1-15所示。图中方框内是IPM模块，模块内的电路见图1-14。模块IPM右侧画出的是连接电动机、制动电阻的电路，以及整流滤波电路。制动电阻连接在端子P与B之间。模块左侧连接的是控制信号电路和报警输出电路。
图1-15中的应用系统使用4组相互绝缘的控制电源，即UCC1、UCC2、UCC3和UCC4。其中逆变桥的上桥臂使用3组，下桥臂和制动单元共用1组。这4组控制电源还必须与主电源之间具有良好地绝缘。
下桥臂控制电源的GND和主电源的GND已经在IPM内连接好，在IPM外部绝对不允许再连接，否则将会产生环流，引起IPM的误动作，甚至可能破坏IPM的输入电路。