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什么是IGBT固态脉冲,它的工作原理是什么?IGBTa安装与应用技术

2017年05月24日 17:20 网络整理 作者: 用户评论(0

  什么是IGBT固态脉冲,它的工作原理是什么??

  在雷达发射机脉冲调制器中,广泛采用的是电真空管作为开关管。这种结构的脉冲调制器具有配套技术复杂、造价高、使用寿命短等缺点,尤其是其不适用于大功率、高重复频率等工作场合的缺陷,使其已经远远不能满足现代雷达的复杂信号处理的需求。

  随着电力电子技术的快速发展,新型功率开关器件IGBT(绝缘栅双极晶体管)迅速占领了市场,满足了人们把大功率、超高频率开关元件实现固态化的期望,有着完全取代电真空管的趋势。这也为在雷达发射机脉冲调制器中采用IGBT作为开关管以替代电真空管奠定了理论和实践基础。

  1 脉冲调制器的结构

  根据脉冲调制器的任务,它基本由下列3部分组成:电源部分、能量储存部分、脉冲形成部分。其结构如图1所示。

对于不含阻尼二极管的IGBT管,由于三个电极间的正反向电阻均为无穷大,故不能用此法判断。一般地,可从外形上识别IGBT各电极的名称,标注型号的一面对着观察者,引脚向下,从左至右依次为栅极、集电极和发射极。

  电源部分的作用是把初级电源(例如市电)变换成符合要求的直流电源。直流电源包括低压电源和高压电源两种,低压电源供给调制脉冲预处理电路使用,高压电源供给调制脉冲形成电路使用。

  能量储存部分的作用是为了降低对于电源部分的高峰值功率要求。因为脉冲调制器是在短促的脉冲期间给射频发生器提能量的,而在较长的脉冲间歇期间停止工作,因此为了有效地利用电源功率,可以采用储能元件在脉冲间歇期间把电源送来的能量储存起来,等到脉冲期间再把储存的能量放出,交给射频发生器。常用的储能元件有电容器和人工线(或称仿真线)。

  脉冲形成部分是利用一个开关,控制储能元件对负载(射频发生器)放电,以提供电压、功率、脉冲宽度及脉冲波形等都满足要求的视频脉冲。常用的开关元件有真空三、四极管、氢闸流管、半导体开关元件(可控硅元件)和具有非线性电感的磁开关等。

  真空管的通断可由栅极电压控制,通断利索,这种开关称为刚性开关,对应的调制器称为刚性调制器。氢闸流管、半导体开关元件和具有非线性电感的磁开关则只能控制其导通,而不能控制其关断,这种开关元件称为软性开关,对应的调制器称为软性调制器。

  2 开关器件的比较

  对传统的电真空器件(氢闸流管)和现代电力电子器件IGBT的电气性能进行比较。

  2.1 传统电真空管器件

  以真空三、四极管为调制开关的刚性调制器适应能力强,能适应各种波形、重复频率的要求,但这也是以体积、重量、结构和成本为代价的。为弥补自身不足以适应各种工作需要,刚性调制器又分为多种类型,但都避免不了其功率小、效率低的缺陷。

  以氢闸流管为开关元件的软性调制器虽能克服刚性调制器的不足,但自身的缺陷也很突出,主要表现为:1)脉冲波形顶部抖动、后沿拖长;2)对负载阻抗的适应性差;3)对波形的适应性也差。

  可见软性调制器只能适应于精度要求不高、波形要求不严格的大功率雷达中。并且不管是刚性还是软性调制器,其结构的复杂都使其可靠性降低,并且维修难度大。

  2.2 现代电力电子器件

  开关元件的固态化是发展的大趋势,尤其是电力电子器件在由传统型向现代型转变以后,许多新兴的器件迅速应用于这种电力转换领域。上世纪九十年代才现身市 场的绝缘栅双极晶体管IGBT已成为现代电力电子器件发展的领头军,型号齐全,已经出现了由IGBT组成的功能完善的智能化功率模块IPM。

  IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极晶体管是一种工作原理复杂的集成半导体器件。在结构上,集成了所有半导体器件的基本结构。如二极管、BJT、结型场效应管 JFET、MOSFET、SCR。工艺上利用MOS工艺进行大面积功率集成,单元胞的体积越来越小,单元胞的数量越来越多。IGBT经过20年的发展,技 术越来越成熟,功能越来越强大。从原来的平面栅型到沟槽型,又发展到非穿通型,直至现在的电场截至型。达到了6 000 V/600 A,通态压降1.3 V,开关频率达到纳秒级。

  IGBT在大量产品中的良好表现,证明其是一种良好的功率开关器件。其主要优点表现在开关频率高、承载功率大、通态压降低、du/dt和di/dt耐量高、动态性能高、反向恢复快等,这些性能特点使其特别适应于在高频、大功率电路中出任开关器件的重任。

  3 固态调制器硬件组成

  对分别以氢闸流管和IGBT为中心所构成的两种脉冲调制器的性能、构造、成本、可维性及可靠性进行比较。

  3.1 真空管脉冲调制器

  以氢闸流管ZQM1-350/14型为例,其参数为14 000 V/350 A,陶瓷外壳,需要12.6 V/6 A的灯丝电源。其关断时,高压电源经充电电感和变压器的原边给仿真线充电,氢闸流管接通时,仿真线经氢闸流管对变压器原边放电,在变压器的副边产生高压脉冲去调制磁控管。氢闸流调制器的结构如图2所示。

对于不含阻尼二极管的IGBT管,由于三个电极间的正反向电阻均为无穷大,故不能用此法判断。一般地,可从外形上识别IGBT各电极的名称,标注型号的一面对着观察者,引脚向下,从左至右依次为栅极、集电极和发射极。

  充氢闸流管是由阳极、阴极、栅极(控制栅,有的还具有预点火栅或分压栅等)组成,将所有电极用绝缘外壳密封,利用低压氢气(氘气)作为工作及灭弧绝缘介 质,是离子开关管中的一个分支,将触发脉冲(正极性)加到栅极,使阴-栅间隙产生辉光放电,放电扩展到阳栅间隙导致阳栅间隙击穿导通,使外电路通过阳极- 栅极-阴极放电,而输出脉冲电流,是具有正启动特性的脉冲电真空器件,具有工作电压高,脉冲电流大,触发电压低,脉冲宽度窄,电流上升快,点火稳定等特 点,广泛应用于国防、医疗、高能激光、科学研究等领域或场合。

  氢闸流管作为开关时,开关的接通是由控制栅极上施加正触发脉冲来实现的。如果闸流管阳极具有足够高的正向电压,栅极一旦被触发,阳极-阴极之间将迅速导 通,栅极就失去了对放电的控制作用。只有阳极电压降得很低,不足以维持放电电流时,闸流管才会截止。闸流管在放电结束后,要经过一段消电离时间,栅极才能 恢复原来的控制功能。因此,闸流管脉冲调制器形成的脉冲波形顶部抖动、后沿拖长。

  况且真空管调制器由于电子管的外围电路有偏压、帘栅、 阳极等电源,这些电源是不可缺少且体积庞大的高压电源。调制器导通时的管压降较大,调制器效率较低。电子管极间电容的存在很难实现窄脉冲调制。另外由于电 子管在真空度变差情况下可能会出现打火等现象,严重影响雷达发射机的可靠性。电子管阴极的寿命较短,也制约着电子管在调制器中的使用。

  全固态调制器与电子管调制器相比具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、维修费用低等优点。因此,研究固态调制器是一个极为重要的发展方向。

  3.2 固态脉冲调制器

  固态脉冲调制器就是以固态开关管IGBT替代电真空管的调制器。IGBT模块采用10只IGBT串联成网络使用,单片机驱动模块利用单片机形成统一的触发脉冲,经驱动模块M57962L同步触发IGBT网络。其结构如图3所示。

对于不含阻尼二极管的IGBT管,由于三个电极间的正反向电阻均为无穷大,故不能用此法判断。一般地,可从外形上识别IGBT各电极的名称,标注型号的一面对着观察者,引脚向下,从左至右依次为栅极、集电极和发射极。

  该调制器采用充电电感,属于直流谐振充电,其自然谐振周期为:

  其中:C0是仿真线的静电容

  Tch等于调制器脉冲重复周期T0两倍,即调制器的脉冲重复频率是固定的。因此为了适应雷达工作于多种重复频率的要求,可在充电电路中串入一只二极管,称为充电二极管或保持二极管。这时只要充电电路的Tch值小于最小的脉冲重复周期就行了。

  VD2和R1称为过电压保护电路,它的作用是防止仿真线上出现过高的电压而损坏功率管。当仿真线向接近短路的负载放电时,其上的电压会变成负极性,由于 功率管不能反向导电,这个负极性的电压不会消失,在下一个脉冲重复周期充电时,这个电压与电源电压的极性一致,所以仿真线将会充电到一个较高的电压值。如 果这时负载打火并未消失,那么这一过程将会继续下去。在理论上可以证明,仿真线上的电压将会达到电源电压的6倍之多。当电路中接入VD2和R1之后,只要 仿真线上出现负极性电压,就可以通过VD2放掉,从而防止了仿真线上过电压的产生。

  R2C2称为反肩峰电路。当仿真线向不匹配的负载放电会在脉冲的前沿引起显著的肩峰。R2C2电路就是为了减小这种肩峰的,其电阻通常选择和负载阻抗相等,而电容的大小可按电路时间常数与脉冲前沿时间大致相当来确定。

  功率开关管IGBT采用高速型MG400Q1US41,其参数为1 200V/400A,其参数如图4所示。工程中采用十管串联的方法以适应高电压的要求。驱动模块采用M57962L,其参数为1 200 V/400 A。

对于不含阻尼二极管的IGBT管,由于三个电极间的正反向电阻均为无穷大,故不能用此法判断。一般地,可从外形上识别IGBT各电极的名称,标注型号的一面对着观察者,引脚向下,从左至右依次为栅极、集电极和发射极。

  十管串联需要保证串联的10个管子同时导通、同时截止,否则先导通或者后截止的管子就因为要承受高电压而击穿,进一步击穿所有的管子,而形成调制器故 障,造成不必要的损失。解决的办法是用单片机产生一路触发脉冲,同时触发驱动模块。因为驱动模块具有较高的输入阻抗,因此单片机的输出电流足够同时触发驱 动模块。10个驱动模块被同时触发,因其延迟的一致性,会使单片机的触发脉冲同时加到10个IGBT的栅极。

  根据调制器的要求,由单片机输出一定重复频率的触发脉冲经接口保护电路转换后驱动IGBT的栅极。IGBT在栅极有驱动时接通,无驱动时关断,实现了可控的开关功能。IGBT的动态开关曲线如图5所示。

对于不含阻尼二极管的IGBT管,由于三个电极间的正反向电阻均为无穷大,故不能用此法判断。一般地,可从外形上识别IGBT各电极的名称,标注型号的一面对着观察者,引脚向下,从左至右依次为栅极、集电极和发射极。

  根据图4所示IGBT参数可知,在VOC=600V、VGE=±15V、RG=2.4 Ω、TC=25℃、IC=400 A时,ton=0.25μs,toff=0.7μs。从图5的UCE-t曲线图看,IGBT的开关曲线比氢闸流管的开关曲线更好,更适合于作为脉冲调制器的开关管使用。

  由于单片机的采用,就可以使调制器的保护采用软件保护,这在减少调制器的体积与重量方面可以做出重大贡献。

  单个固态调制器的制造成本比氢闸流管调制器稍高,但是其使用寿命长,也就是说性价比高,况且在性能、构造、可维性及可靠性方面远远胜于氢闸流管调制器。

  4 仿真过程及结果

  仿真软件使用流行的SIMNLINK。

  设触发脉冲周期为2 ms,脉冲宽度为2μs,如图6中的第一示波器(图 的下部),仿真线前端的波形如图6中的第二示波器(图的上部)。由第二示波器可见,当触发脉冲到来时,即IGBT网络导通时,仿真线迅速放电,放电速率为 5 000 V/6μs(即从满电压5 000 V至放电完成时间约为6μs),并且无反冲。当触发脉冲过去时,即IGBT网络断开时,仿真线迅速充电,放电速率为5 000 V/3μs(即从充电开始至满电压5 000 V的时间约为3μs),并且无反冲。

对于不含阻尼二极管的IGBT管,由于三个电极间的正反向电阻均为无穷大,故不能用此法判断。一般地,可从外形上识别IGBT各电极的名称,标注型号的一面对着观察者,引脚向下,从左至右依次为栅极、集电极和发射极。

  由此可见,由IGBT网络替代的脉冲开关,完全能满足脉冲调制器的要求,其指标远远超过了氢闸流管脉冲调制器。

  5 结论

  器件固态化是系统发展的趋势,固态脉冲调制器正是在这一趋势的启发下提出来的。所设计的固态脉冲调制器具有结构简单、性价比高的特点,可以快速、方便地对现有雷达的脉冲调制器进行改装。改装成本低、周期短,具有很高的实用价值。

  IGBT管的安装与检测:

  IGBT是绝缘栅双极型晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor)的简称,它是八十年代初诞生,九十年代迅速发展起来的新型复合电力电子器件。IGBT是由MOSFET场效应晶体管和BJT双极型晶体管复合而成的,其输入级为MOSFET,输出级为PNP型大功率三极管,它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET器件输入阻抗高、响应速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点,又具有双极型器件通态电压低、耐压高和输出电流大的优点,其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间,可正常工作于几十kHz频率范围内,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

  IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。IGBT的等效电路如图1所示。由图1左图可知,当栅极加正电压时,MOSFET 内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而使IGBT导通,此时高耐压的 IGBT 也具有低的通态压降。在栅极上加负电压时,MOSFET 内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT 即关断。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件,在它的栅极—发射极间施加十几V的直流电压,只有μA级的漏电流,基本上不消耗功率,显示了输入阻抗大的优点。图2和图3为IGBT的电路符号。

对于不含阻尼二极管的IGBT管,由于三个电极间的正反向电阻均为无穷大,故不能用此法判断。一般地,可从外形上识别IGBT各电极的名称,标注型号的一面对着观察者,引脚向下,从左至右依次为栅极、集电极和发射极。

  二、IGBT的检测

  IGBT管的检测可用指针式万用表的电阻挡来检测,或用数字万用表的“二极管”挡来测量PN结正向压降进行判断。本文以应用较多的N型IGBT为例,阐述IGBT的检测方法,检测前先将IGBT管三只引脚短路放电,避免影响检测的准确度。

  1、判断极性。首先将万用表拨在 R&TImes;1K 挡,用万用表测量各电极之间的电阻,若某一极与其它两极阻值为无穷大,调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大,则此极为栅极G。其余两极再用万用表测量,若测得阻值为无穷大,调换表笔后测量阻值较小。则说明该IGBT内含阻尼管,且在测量阻值较小的一次中红表笔接的为集电极C,黑表笔接的为发射极E。对于数字万用表,正常情况下,内附阻尼管的IGBT管的C、E极间正向压降约为0.4V。其它各电极之间的电阻均为无穷大。否则,管子是坏的。

  对于不含阻尼二极管的IGBT管,由于三个电极间的正反向电阻均为无穷大,故不能用此法判断。一般地,可从外形上识别IGBT各电极的名称,标注型号的一面对着观察者,引脚向下,从左至右依次为栅极、集电极和发射极。

  2 、判断好坏。将万用表拨在 R&TImes;10K 挡,用黑表笔接 IGBT的集电极C,红表笔接IGBT 的发射极E,此时万用表的指示为无穷大。用手指同时触及一下栅极G和集电极C ,这时IGBT 被触发导通,万用表的指针摆向阻值较小的方向,并指示在某一位置,电阻越小,说明IGBT的导通压降越低,其放大能力越强。然后再用手指同时触及一下栅极G和发极E,这时IGBT阻断,万用表的指针回至无穷大。此时即可判断IGBT是好的。

  注意:任何指针式万用表均可用于检测 IGBT。判断IGBT 的好坏,一定用万用表 R&TImes;10K挡,因 R&TImes;1K 挡以下各挡万用表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT导通而无法判断。

  如果测得IGBT管三个引脚间电阻均很小,则说明该管已击穿损坏;实际维修中IGBT管多为过电流或过电压击穿损坏。

  三、 IGBT的代换

  由于IGBT工作在大电流、高电压状态,工作频率较高,发热量大,因此其故障率较高,又由于其价格较高,故代换IGBT时,应遵循以下原则:

  首先,尽量用原型号的代换,这样不仅利于固定安装,也比较简便。其次,如果没有相同型号的管子,可用参数相近的IGBT来代换,一般是用额定电流较大的管子代替额定电流较小的,用高耐压的代替低耐压的。如果参数已经磨掉,可根据其额定功率来代换。

  注意,代换IGBT时,一定要分清其内部是否含有快恢复阻尼二极管。

  四、IGBT的保存

  保存半导体元件的场合,温度与湿度应保持常温常湿状态,不应偏离太大。一般地,常温规定为5~35℃ ,常湿规定为45~75%左右。在冬天特别干燥的地区,需用加湿机加湿。

  装IGBT模块的容器,应选用不带静电的容器。并尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合。

  在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象,因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方;

  五、使用注意事项

  IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄, IGBT的UGE的耐压值为±20V,在IGBT加超出耐压值的电压时,会导致损坏的危险。此外,在栅极—发射极间开路时,若在集电极与发射极间加上电压,则随着集电极电位的变化,由于集电极有漏电流流过,栅极电位升高,集电极则有电流流过。这时,如果集电极与发射极间存在高电压,则有可能使IGBT发热乃至损坏。

  在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压,但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合,也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此,通常采用双绞线来传送驱动信号,以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。

  如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时(珊极处于开路状态),若在主回路上加上电压,则IGBT就会损坏,为防止这类损坏情况发生,应在栅极一发射极之间接一只10kΩ左右的电阻。

  此外,由于IGBT为MOS结构,对于静电就要十分注意。因此,请注意下面几点:

  1、在使用模块时,手持分装件时,请勿触摸驱动端子部份。当必须要触摸模块端子时,要先将人体或衣服上的静电放电后,再触摸。

  2、在用导电材料连接IGBT的驱动端子时,在配线未接好之前请先不要接上模块;

  3、尽量在底板良好接地的情况下操作。如焊接时,电烙铁要可靠接地。

  在安装或更换IGBT时,应十分重视IGBT与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻,最好在散热器与IGBT间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇,当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT发热,而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查,一般在散热片上靠近IGBT的地方安装有温度感应器,当温度过高时将报警或停止IGBT工作。

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( 发表人:易水寒 )

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