摘要：随着科技水平的不断进步，半导体元件的制造技术以及工艺不断完善，主要的发展方向为功耗小，高电压，大电流，快通断，易保护，技术人员目前已经研发出了功率绝缘栅控双极性晶体管IGBT，功率场效应管MOSFET，双极性晶体管GTR等等，这些元件的应用促进了诸多相关领域的发展，也需要相关人员在实践的过程中不断研究，提高应用的水平。
关键词：IGBT功率元件；应用；保护技术
在诸多的功率元件之中，IGBT晶体管的应用范围最广，这种元件集合了MOSFET和GTR的优点，是一种复合型的零件，具有速度快，输入阻抗数值比较高，驱动电路简单，极限工作温度比较高，阻抗高，开关损耗较小以及易驱动的特点，同时具有通态电压数值低，电流容量大，耐高压的特点，可以作为电压控制通断过程的自动关断元器件，使用的频率在MOSFET与晶体管之间，可以在数十千赫兹的情况下正常运行，IGBT广泛应用在噪音比较低，体积小，性能指标高的大功率交流伺服电机的调速系统以及变频电源之中，在这些系统的应用中占有主导的位置，逐渐取代了传统的MOSFET和GTR。这种类型的晶体管在应用的过程中需要妥善处理保护电路和驱动电路，这是需要技术人员切实解决的。
一、IGBT功率元件的保护技术
IGBT晶体管属于考电压进行驱动的元器件，本身具有较大的输入阻抗，同时具备3至6伏的设定电压数值，对于栅极电荷非常敏感，所以对于驱动电路的要求比较高。IBGT主要采用栅极驱动的方式，其安全工作区域以及其自身的特性会随着栅极驱动电路整体性能的变化而发生一系列的变化，这些电路的情况直接决定了晶体管的工作状态，与一些自关断的器件相同，IGBT对于驱动电路有比较严格的要求，这也属于IGBT保护的关键性技术[1]。
（一）栅极电阻RG
IGBT具有比较高的输入阻抗，通过测试得知阻抗的数值可以达到10亿以上欧姆，这种阻抗属于纯容性质，在没有直流电流的情况之下，栅极的发射极之间施加一定的电压只会产生极小的电流，产生的功率消耗基本可以忽略不计。为了全面减小IGBT集电较大的电压尖肪冲以及改善冲前后岩陡程度，需要在栅极串联电阻RG，这种电阻与驱动电路的内阻抗对IGBT的正常开通运行有着比较大的影响，对于关断的过程则没有那么大的影响。串联电阻的具体数值应当妥善的进行控制，较小的串联电阻可以提高关断的效率，减少不必要的开关的损耗，但如果数值过小会产生一定的集电极电压的尖峰，造成di/dt的数值升高，这样会是IGBT发生损坏，引起误导通。因此，串联电阻的数值需要根据电压的额定值以及电流的容量和开关频率的情况进行选择，栅极的串联电阻应当在IGBT电流容量增大时适当的减小，技术人员根据自身的经验一般会选择几十欧或者上百欧。
（二）栅射电阻RGE
如果集射极之间存在较高的电压时会影响其正常的运行，栅射电压的数值会超过技术的要求，引起误导通的情况，为了有效的解决此类问题可以在栅射集之间连接栅射电阻。栅射电阻的数值也需要合理确定，如果数值过小，会导致IGBT的接通时间增加，开关的频率会显著下降，一般情况下电阻的数值在1000到5000之间，将栅射电阻设置在距离射极和栅极最近的位置。同时，为了有效的避免出现尖峰电压，可以在这个位置接入两只稳压二极管，采用反向串联的方式连接，具体的数值需要和关栅电压，开栅电压的数值保持一致，需要方向相反[2]。
（三）极驱动电压UGE
IGBT在使用时脉冲前沿的比较陡的栅极电压会添加在发射极与栅极之间，这样可以使元器件快速开通，减少设备的损坏，提高效率。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在关断操作时，栅极与发射极之间会出现下降沿陡的反向偏置电压，也可以提高关断的效率，减小关断设备损伤。在操作时需要使用内阻比较小的驱动源，这样的设备在对栅极的电容进行充电与放电时可以保证控制电压的前后沿足够陡，减小晶体管的开关损伤。栅极驱动电源在IGTB瞬时以及导通过程出现过载的情况时可以提供所需的功率，避免设备出现损坏的情况[3]。元器件本身的性能决定了它的阈值电压，一般情况下这个数值不应当地域1.5伏，这样可以保证设备获得合适的导通电压，当阈值电压增加时，处于导通状态的集射电压会明显减小，开关的损伤以及压降会降低。如果在负载的过程中增加阈值电压，会导致电流同步增加，这会导致IGBT的承受短路电流的时间明显减少，严重威胁设备的安全运行，因此需要妥善选择电压的数值，尤其在出现短路的情况时更应当谨慎考虑，避免导通电压引起IGBT发热，引发安全问题。在栅射极之间加入反偏的电压可以帮助元器件迅速关断，但这个电压受反向耐压情况的限制，数值不宜过大，否则容易引起击穿的情况。一般情况选用15伏左右比较合适。
二、IGBT功率元件的具体应用
IGBT驱动电路主要的功能是提供合理的栅极驱动脉冲以及实现被驱动IGBT栅极和控制电路之间的隔离。这种类型的驱动电路种类比较多，专业集成的驱动电路保护功能表完善，性能稳定，但造价比较高。分立的元件组成的驱动电路结构简单，价格低廉[4]。
随着技术的发展，IGBT在许多行业得到了比较广泛的应用，比如港口起重机的整流回馈单元，采用与其他技术相结合，起到了明显的节能的效果。这种回馈单元也可以称为主动前段，具有和逆变器相同的功能。采用空间矢量脉冲控制技术与IGBT功率元件相结合，实现了变频器与逆变器电子器件与电路机构相同，输出的交流和输入的直流可以在变频器与电网的直流母线之间双方向流动，与传统的技术相比，这种方式不再只是被动的进行直流与交流之间的转化，主动的控制功能显著增强，不会受到电网波动情况的影响，可以有效的消除高次谐波，提高功率，动态性能比较强[5]。整流回馈单元是功率因数调节以及能量双向流动的关键性技术，在外环的结构进行电压的调节，灵敏以及快速感应的电流放在内环的位置，实现变频器的最终控制。这样的结构设置可以明显提高设备运行的效率，降低对于能源的消耗。国外对于这类设备的研发工作比较重视，但研发的设备价格昂贵，我国在吸收国外先进经验的同时加大了自主研发的力度，开发出了具有自主知识产权的整流回馈单元，在港口起重机等领域取得了良好的应用效果。
结束语
通过相关技术人员的深入研究得知IGBT在较大电感负载的情况之下开关时间不可过短，需要保障设备的安全运行。这种设备主要在高压的条件下使用，需要使控制电路与驱动电路隔离，设计的电流以简单实用为主要研制，综合考虑电阻的情况，保障元器件的安全使用，技术人员应当结合实际情况，采用合理的方法来提高设备运行效率，保障安全。
参考文献：
[1]常瑞增.浅析整流回馈单元在港口起重设备节能改造中的作用[J].港工技术，2013，49（01）：54-57.
[2]于坤山，谢立军，金锐.IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用[J].电力系统自动化，2016，40（06）：139-143.
[3]孙晓云，同向前，高鑫.柔性直流输电系统中IGBT阀的故障诊断方法[J].电工技术学报，2014，29（08）：235-241+264.
[4]张帆，杨旭，任宇，陈颖，苟锐锋.一种适用于固态直流断路器的IGBT串联均压电路[J].中国电机工程学报，2016，36（03）：656-663.
[5]赏吴俊，何正友，胡海涛，母秀清，林建辉.基于IGBT输出功率的逆变器开路故障诊断方法[J].电网技术，2013，37（04）：1140-1145.
论文作者:唐军荣
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
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