igbt逆變器工作原理_igbt在逆變器中的作用

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管），是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。

IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

目前國(guó)內(nèi)缺乏高質(zhì)量IGBT模塊，幾乎全部靠進(jìn)口。絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是高壓開關(guān)家族中最為年輕的一位。由一個(gè)15V高阻抗電壓源即可便利的控制電流流通器件從而可達(dá)到用較低的控制功率來控制高電流。

IGBT的工作原理和作用通俗易懂版：

IGBT就是一個(gè)開關(guān)，非通即斷，如何控制他的通還是斷，就是靠的是柵源極的電壓，當(dāng)柵源極加+12V（大于6V，一般取12V到15V）時(shí)IGBT導(dǎo)通，柵源極不加電壓或者是加負(fù)壓時(shí)，IGBT關(guān)斷，加負(fù)壓就是為了可靠關(guān)斷。

IGBT沒有放大電壓的功能，導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線，斷開時(shí)當(dāng)做開路。

IGBT有三個(gè)端子，分別是G，D，S，在G和S兩端加上電壓后，內(nèi)部的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移（半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)，這也是為什么用半導(dǎo)體材料做電力電子開關(guān)的原因），本來是正離子和負(fù)離子一一對(duì)應(yīng)，半導(dǎo)體材料呈中性，但是加上電壓后，電子在電壓的作用下，累積到一邊，形成了一層導(dǎo)電溝道，因?yàn)殡娮邮强梢詫?dǎo)電的，變成了導(dǎo)體。如果撤掉加在GS兩端的電壓，這層導(dǎo)電的溝道就消失了，就不可以導(dǎo)電了，變成了絕緣體。

IGBT的工作原理和作用電路分析版：

IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

圖1 ? IGBT的等效電路

由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：

--IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓;

--IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓;

--流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流;

--IGBT的結(jié)溫。

如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動(dòng)電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極-發(fā)射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞;同樣，如果加在IGBT集電極與發(fā)射極允許的電壓超過集電極-發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極-發(fā)射極的電流超過集電極-發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)溫的允許值，IGBT都可能會(huì)永久性損壞。

絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）

IGBT串聯(lián)諧振式電壓型逆變器的工作原理

該電源采用半橋結(jié)構(gòu)串聯(lián)諧振逆變電路，主電路原理如圖所示。在大功率IGBT諧振式逆變電路中，主電路的結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的性能十分重要，由于電路中存在引線寄生電感，IGBT開關(guān)動(dòng)作時(shí)在電感上激起的浪涌尖峰電壓Ldi／dt不可忽視，由于本電源采用的是半橋逆變電路，相對(duì)全橋電路來說，將產(chǎn)生比全橋電路更大的di／dt。正確設(shè)計(jì)過壓保護(hù)即緩沖電路，對(duì)IGBT的正常工作十分重要。如果緩沖電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，將造成緩沖電路損耗增大，會(huì)導(dǎo)致電路發(fā)熱嚴(yán)重，容易損壞元件，不利于長(zhǎng)期工作。為了給無功電流提供通路，ICBT必須反并聯(lián)快速二極管，在電壓型逆變器中，為了避免開關(guān)器件因Cd的短路電流而損壞，在開關(guān)器件換流過程中，上、下橋臂ICBT必須遵守先關(guān)斷后開通原則，即應(yīng)留有死區(qū)時(shí)間（T。）。

IGBT串聯(lián)諧振式電壓型逆變工作過程如下：

當(dāng)VT2開通時(shí)，隨著電流的上升，在線路雜散電感Lm的作用下，使得Uab下降到Vcc－Ldi／dt，此時(shí)前一工作周期以被充電到Vcc的緩沖電容C1，通過VT1的反并聯(lián)二極管VD1、VT2和緩沖電阻R2放電。在緩沖電路中，流過反并聯(lián)二極管VD1的瞬時(shí)導(dǎo)通電流ID1為流過線路雜散電感電流IL和流過緩沖電容C1的電流IC之和。即ID1＝IL＋I(xiàn)C，因此IL和di／dt相對(duì)于無緩沖電路要小得多。當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，由于線路雜散電感Lm的作用，使Uce迅速上升，并大于母線電壓Vcc，這時(shí)緩沖二極管VD1正向偏置，Lm中的儲(chǔ)能（LmI2／2）向緩沖電路轉(zhuǎn)移，緩沖電路吸收了貯能，不會(huì)造成Uce的明顯上升。

由于負(fù)載電路是采用品質(zhì)因數(shù)為Q的LC串聯(lián)諧振電路，因而加在三和C上的電壓是逆變器輸出基波電壓的Q倍，負(fù)載電流則與逆變器的輸出電流相同。這樣，串聯(lián)諧振電路的自身成了電流源。逆變器的輸出電壓與負(fù)載無關(guān)，其值等于由C。保持恒定的電壓。因此，由于受已成電流源的負(fù)載的影響。在死區(qū)時(shí)間中，電流會(huì)通過IGBT的反并聯(lián)二極管繼續(xù)流通，這種逆變器具有如下特征。

（1）容易投入負(fù)載電力。配線電感可以和負(fù)載電感相抵，又有Cd的作用，因而即使是低壓電路，在諧振頻率附近工作，也能注入很大電流。感應(yīng)加熱負(fù)載的等效阻抗多為幾十m0，如果逆變器的直流電壓為幾百V，就足以給出幾百kW的電力。它的這一特征表明，采用低壓開關(guān)器件并聯(lián)，就可構(gòu)成這種系統(tǒng)，因而實(shí)用性強(qiáng)。

（2）負(fù)載匹配容易。選擇開關(guān)器件，必須考慮最合適的電流和電壓。為了便于實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配，逆變器一艘都通過匹配變壓器輸出?？梢酝ㄟ^調(diào)整匹配變壓器的初次級(jí)線圈匝比來獲得必要的負(fù)載電力所需的負(fù)載電壓以及滿足開關(guān)器件的最佳工作電壓要求。而在設(shè)計(jì)時(shí)，只要把匹配變壓器的漏感簡(jiǎn)單地加進(jìn)負(fù)載電感就可達(dá)到目的，設(shè)計(jì)的自由度大。在緩沖電路的元件選擇中，電容要選擇耐壓較高的電容，二極管最好選擇高性能的快恢復(fù)二極管，電阻要用無感電阻。