IGBT

SiC变频器能让电机系统综合能效提升至8%，核心源于宽禁带材料的低器件损耗、高频降谐波、轻载优化、热管理与系统协同四大效应叠加，并非单一环节提升，而是全链路的损耗压缩。

要弄明白IGBT模块，就要先了解新能源汽车的电驱系统，先用一句话概括电驱系统如何工作：在驾驶新能源汽车时，电机控制器把动力电池放出的直流电（DC）变为交流电（AC）（这个过程即逆变），让驱动电机工作，电机将电能转换成机械能，再通过传动系统（主要是减速器）让汽车的轮子跑起来。

Dara O’Sullivan 应用工程师 ADI公司

摘要

工业电机驱动的整个市场趋势是对更高效率以及可靠性和稳定性的要求不断提高。功率半导体器件制造商不断在导通损耗和开关时间上寻求突破。有关增加绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)导通损耗的一些权衡取舍是：更高的短路电流电平、更小的芯片尺寸，以及更低的热容量和短路耐受时间。这凸显了栅极驱动器电路以及过流检测和保护功能的重要性。本文讨论现代工业电机驱动中成功可靠地实现短路保护的问题，同时提供三相电机控制应用中隔离式栅极驱动器的实验性示例。

工业环境中的短路

工业电机驱动器的工作环境相对恶劣，可能出现高温、交流线路瞬变、机械过载、接线错误以及其它突发情况。其中有些事件可能会导致较大的过流流入电机驱动器的功率电路中。图1显示了三种典型的短路事件。

它们是：

工业环境中的短路

斩波是电力电子控制中的一项变流技术，其实质是直流控制的脉宽调制，因其波形如同斩切般整齐、对称，故名斩波。斩波在内馈调速控制中占有极为重要的地位，它不仅关系到调速的技术性能，而且直接影响设备的运行安全和可靠性，因此。

如何选择斩波电路和斩波器件十分重要。

IGBT是近代新发展起来的全控型功率半导体器件，它是由MOSFET（场效应晶体管）与GTR（大功率达林顿晶体管）结合，并由前者担任驱动，因此具有：驱动功率小，通态压降低，开关速度快等优点，目前已广泛应用于变频调速、开关电源等电力电子领域。

就全控性能而言，IGBT是最适合斩波应用的器件，而且技术极为简单，几乎IGBT器件本身就构成了斩波电路。但是要把IGBT斩波形成产品，问题就没有那么简单，特别是大功率斩波，如果不面对现实，认真研究、发现和解决存在的问题，必将事与愿违，斩波设备的可靠性将遭受严重的破坏。不知道是出于技术认识问题还是商务目的，近来发现，某些企业对IGBT晶体管倍加推崇，而对晶闸管全面否定，显然，这是不科学的。为了尊重科学和澄清事实，本文就晶闸管和以IGBT为代表的晶体管的性能、特点加以分析和对比，希望能够并引起讨论，还科学以本来面目。

IGBT 的等效电路如图1 所示。由图1 可知,若在IGBT 的栅极和发射极之间加上驱动正电压,则MOSFET 导通,这样PNP 晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT 的栅极和发射极之间电压为0V,则MOSFET 截止,切断PNP 晶体管基极电流的供给,使得晶体管截止。

由此可知,IGBT 的安全可靠与否主要由以下因素决定：

——IGBT 栅极与发射极之间的电压;
——IGBT 集电极与发射极之间的电压;
——流过IGBT 集电极－发射极的电流;
——IGBT 的结温。

随着上市的电动汽车越来越多，普及电动汽车有关知识显得越来越来重要了。对汽车工程技术人员要求就高一些，什么是电机？什么是电机控制器？什么是逆变器？什么是IGBT？这些知识及应用常识以前没有学过，今天却要求掌握，否则会成为外行，如果不及时补充这些知识，最后可能会被淘汰掉。

如今电动汽车应用越来越多的新知识、新技术，如：电机控制器或者逆变器型号、规格越来越多。要真正理解它的工作原理，必须要对其基础理论进行学习，有了基础知识，再结合实际产品进行对照，基本上可以掌握电机控制器或者逆变器的工作原理，进而就可以科学匹配设计。下面对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)及应用进行讨论，供初级工程技术人员参考。

一、“绝缘栅双极型晶体管”的通俗理解

绝缘栅双极型晶体管是《电工学》中的一个专业术语，如何正确理解有一定难度。笔者对个这术语进行通俗的解释。

①管：理解水管的功能即可。水从管子一头流进去，从另一头流出。水是液体的，管子对水而言，就是导管。

简介

先进电机驱动应用采用基于三相绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)的逆变器，后者由通常在400 V dc到800 V dc范围内的直流母线电压供电。该高压轨可以从三相整流器电桥滤波器组合或功率因数经校正的升压整流器直接获得，从三相交流输入产生高压轨(参见图1)。

IGBT是主功率开关，为电机各相提供(通常10 kHz)脉宽调制(PWM)输出。感应和永磁电机一般具有高绕组电感，其将此PWM电压集成到一个近似正弦形状的低频绕组电流波形中。在较小驱动应用中，某些IGBT采用ADuM4223等驱动器提供的单极性(如0 V至15 V)栅极驱动便能很好地工作，但在较大系统中，通常要求双极性栅极驱动电平(如−7.5 V和+15 V)，并由ADuM4135等合适的驱动器驱动。负关断电平有助于避免IGBT因杂散电容而导通——集电极到发射极电压(VCE)的迅速上升(高正dV/dt)可能会引发这种情况。这种高dV/dt一般是由其他器件的正常导通引起的。(上管导通可能会引起下管在不希望导通时导通，反之亦然。)这6个栅极驱动器需要电源来提供+15 V和−7.5 V偏置电压。