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IGBT模塊在薄膜電容分容機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例分析
日期：2024-12-22 19:56
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摘要：IGBT模塊在薄膜電容分容機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例分析
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因其性能優(yōu)越、控制方便而廣泛應(yīng)用于電源、變頻調(diào)速裝置和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在薄膜電容分選機(jī)中的應(yīng)用情況，分析了IGBT在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。
1 薄膜電容分選機(jī)介紹
薄膜電容分選機(jī)是薄膜電容器生產(chǎn)工藝中的重要設(shè)備之一。它具有容量不足（C0）檢測(cè)、直流充放電（dVIdt）測(cè)試、直流耐壓檢測(cè)（DCTV）、絕緣電阻（IR）檢測(cè)、損耗及電容容量（DI&AC—D2）測(cè)試及分選功能。直流充放電（dV/dt）測(cè)試是一項(xiàng)重要的測(cè)試。
它的主...
IGBT模塊在薄膜電容分容機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例分析
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因其性能優(yōu)越、控制方便而廣泛應(yīng)用于電源、變頻調(diào)速裝置和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在薄膜電容分選機(jī)中的應(yīng)用情況，分析了IGBT在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。
1 薄膜電容分選機(jī)介紹
薄膜電容分選機(jī)是薄膜電容器生產(chǎn)工藝中的重要設(shè)備之一。它具有容量不足（C0）檢測(cè)、直流充放電（dVIdt）測(cè)試、直流耐壓檢測(cè)（DCTV）、絕緣電阻（IR）檢測(cè)、損耗及電容容量（DI&AC—D2）測(cè)試及分選功能。直流充放電（dV/dt）測(cè)試是一項(xiàng)重要的測(cè)試。
它的主要作用是剔除那些因原材料和工藝上有明顯缺陷而使絕緣強(qiáng)度顯著降低的電容器。
2 直流充放電（dV/dt）測(cè)試的原理
根據(jù)對(duì)故障電容器的分析，絕緣強(qiáng)度降低大多數(shù)是電容器被擊穿。電容器的擊穿是電容器在工作過程中由于電介質(zhì)或絕緣體被破壞而導(dǎo)致短路的現(xiàn)象。
電介質(zhì)的擊穿主要分為以下3種情況：
1）電擊穿：加在電介質(zhì)上的電壓使電介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，致使出現(xiàn)很大的傳導(dǎo)電流而使兩極短路。
2）熱擊穿：電介質(zhì)在長(zhǎng)期工作時(shí)產(chǎn)生的熱量大于散出的熱量，使介質(zhì)熱崩潰，發(fā)生在高頻、高壓下。
3）老化擊穿：電介質(zhì)在電場(chǎng)長(zhǎng)期作用以及外界因素的促使下老化，電性能明顯下降的現(xiàn)象。在生產(chǎn)工廠主要針對(duì)前兩種擊穿進(jìn)行試驗(yàn)。因此直流充放電測(cè)試裝置主要由3個(gè)部分組成：直流高壓發(fā)生電路，頻率產(chǎn)生和邏輯控制接口電路，充放電開關(guān)電路。
根據(jù)薄膜電容器的生產(chǎn)工藝，不同耐壓值的產(chǎn)品使用的測(cè)試電壓不同。對(duì)于小型電容器，耐壓可達(dá)1000V。因此，需要選擇合適的器件作為電子開關(guān)。而絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）既具有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的快速響應(yīng)、高輸入阻抗等特點(diǎn)，又具有雙極結(jié)型晶體管（BJT）的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，適于在這種場(chǎng)合應(yīng)用。
3 IGBT工作原理
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是80年代中期問世的一種復(fù)合電力電子器件．其輸入控制部分為MOSFET，輸出級(jí)為雙級(jí)結(jié)型三極晶體管。因此，兼有 MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)，即高輸人阻抗、電壓控制、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快等，工作頻率可達(dá)到10～40kHz（比電力三極管高），飽和壓降低（比MOSFET小得多，與電力三極管相當(dāng)），電壓、電流容量較大，工作區(qū)域?qū)?。IGBT本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管．只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè)P型層。它的開關(guān)特性非常接近功率MOSFET，而且導(dǎo)通特性也不受工作電壓影響。IGBT有3個(gè)電極。
柵極G、發(fā)射極E和集電極C。輸入部分是一個(gè)MOSFET管，輸出部分為一個(gè)三極管。當(dāng)柵極G與發(fā)射極E之間的外加電壓UGE=0時(shí)，MOSFET管內(nèi)無導(dǎo)電溝道，IC=0，MOSFET處于斷態(tài)在柵極G與發(fā)射極E之間的外加控制電壓，可以改變MOSFET管導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制了IGBT管的集電極電流。當(dāng)足夠大時(shí)（例如15V），則IGBT進(jìn)入通態(tài)。一旦撤除UGE，即UGE=0，則IGBT器件從通態(tài)轉(zhuǎn)人斷態(tài)。
4 IGBT的選擇
通常情況下，選擇IGBT模塊時(shí)主要應(yīng)考慮器件的額定電壓和額定電流。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的資料，正確選用IGBT有兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是在器件關(guān)斷時(shí)，在任何被要求的過載條件下，集電極峰值電流都必須小于兩倍的額定電流。二是IGBT工作時(shí)內(nèi)部結(jié)點(diǎn)溫度必須始終保持在 150°C以下。在任何情況下，包括負(fù)載過載時(shí)．都必須如此。其次要防止IGBT因過電壓或過電流引起損壞或工作不穩(wěn)定，必要時(shí)應(yīng)降額使用，以保證應(yīng)用電路的可靠及穩(wěn)定。
5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
IGBT器件在理論上十分容易控制．只要在其柵極施加一定的電壓就可使器件導(dǎo)通，撤掉該電壓后器件關(guān)斷。但在實(shí)際應(yīng)用中要注意以下幾點(diǎn)。
1）驅(qū)動(dòng)電路能提供一定幅值的正反向柵極電壓。在開通時(shí)，要大于器件的開通閥值但不可超過+20V。關(guān)斷時(shí)，必須為IGBT器件提供一個(gè)-5～-l5V的，以便縮短關(guān)斷時(shí)間，提高IG—BT器件工作的可靠性。
2）驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)有隔離的輸人、輸出信號(hào)功能，同時(shí)信號(hào)在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部傳輸無延時(shí)或延時(shí)很短。
3）在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻R0增大時(shí)，IGBT開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，開關(guān)損耗加大；R0太小時(shí)，導(dǎo)致IGBT柵極、發(fā)射極之間振蕩，引起IGBT集電極產(chǎn)生尖峰電壓，使IGBT損壞。
4）驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有過電壓保護(hù)能力，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。
目前．生產(chǎn)IGBT器件的廠家生產(chǎn)了多種專用驅(qū)動(dòng)電路可供選擇，如公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)模塊M57962AL2J，它的內(nèi)部組成見圖2，其各管腳功能分別是：13和14腳是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，4腳是正電源端；6腳是負(fù)電源端：1腳和2腳是故障信號(hào)輸入端：
M57962AL的主要特點(diǎn)有：
1）高速輸入、輸出隔離，絕緣強(qiáng)度高達(dá)AC2500V／min。
2）輸入、輸出電平與1TrL電平兼容，適于單片機(jī)控制。
3）內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性：
4）具有可靠通斷措施（采用雙電源）；
5）驅(qū)動(dòng)功率大，可以驅(qū)動(dòng)600A／600V或400A／1200V的IGBT模塊。
絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因其性能優(yōu)越、控制方便而廣泛應(yīng)用于電源、變頻調(diào)速裝置和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。介紹了絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在薄膜電容分選機(jī)中的應(yīng)用情況，分析了IGBT在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。
1 薄膜電容分選機(jī)介紹
薄膜電容分選機(jī)是薄膜電容器生產(chǎn)工藝中的重要設(shè)備之一。它具有容量不足（C0）檢測(cè)、直流充放電（dVIdt）測(cè)試、直流耐壓檢測(cè)（DCTV）、絕緣電阻（IR）檢測(cè)、損耗及電容容量（DI&AC—D2）測(cè)試及分選功能。直流充放電（dV/dt）測(cè)試是一項(xiàng)重要的測(cè)試。
它的主要作用是剔除那些因原材料和工藝上有明顯缺陷而使絕緣強(qiáng)度顯著降低的電容器。
2 直流充放電（dV/dt）測(cè)試的原理
根據(jù)對(duì)故障電容器的分析，絕緣強(qiáng)度降低大多數(shù)是電容器被擊穿。電容器的擊穿是電容器在工作過程中由于電介質(zhì)或絕緣體被破壞而導(dǎo)致短路的現(xiàn)象。
電介質(zhì)的擊穿主要分為以下3種情況：
1）電擊穿：加在電介質(zhì)上的電壓使電介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，致使出現(xiàn)很大的傳導(dǎo)電流而使兩極短路。
2）熱擊穿：電介質(zhì)在長(zhǎng)期工作時(shí)產(chǎn)生的熱量大于散出的熱量，使介質(zhì)熱崩潰，發(fā)生在高頻、高壓下。
3）老化擊穿：電介質(zhì)在電場(chǎng)長(zhǎng)期作用以及外界因素的促使下老化，電性能明顯下降的現(xiàn)象。在生產(chǎn)工廠主要針對(duì)前兩種擊穿進(jìn)行試驗(yàn)。因此直流充放電測(cè)試裝置主要由3個(gè)部分組成：直流高壓發(fā)生電路，頻率產(chǎn)生和邏輯控制接口電路，充放電開關(guān)電路。
根據(jù)薄膜電容器的生產(chǎn)工藝，不同耐壓值的產(chǎn)品使用的測(cè)試電壓不同。對(duì)于小型電容器，耐壓可達(dá)1000V。因此，需要選擇合適的器件作為電子開關(guān)。而絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）既具有金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的快速響應(yīng)、高輸入阻抗等特點(diǎn)，又具有雙極結(jié)型晶體管（BJT）的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，適于在這種場(chǎng)合應(yīng)用。
3 IGBT工作原理
絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是80年代中期問世的一種復(fù)合電力電子器件．其輸入控制部分為MOSFET，輸出級(jí)為雙級(jí)結(jié)型三極晶體管。因此，兼有 MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點(diǎn)，即高輸人阻抗、電壓控制、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快等，工作頻率可達(dá)到10～40kHz（比電力三極管高），飽和壓降低（比MOSFET小得多，與電力三極管相當(dāng)），電壓、電流容量較大，工作區(qū)域?qū)?。IGBT本質(zhì)上是一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管．只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè)P型層。它的開關(guān)特性非常接近功率MOSFET，而且導(dǎo)通特性也不受工作電壓影響。IGBT有3個(gè)電極。
柵極G、發(fā)射極E和集電極C。輸入部分是一個(gè)MOSFET管，輸出部分為一個(gè)三極管。當(dāng)柵極G與發(fā)射極E之間的外加電壓UGE=0時(shí)，MOSFET管內(nèi)無導(dǎo)電溝道，IC=0，MOSFET處于斷態(tài)在柵極G與發(fā)射極E之間的外加控制電壓，可以改變MOSFET管導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制了IGBT管的集電極電流。當(dāng)足夠大時(shí)（例如15V），則IGBT進(jìn)入通態(tài)。一旦撤除UGE，即UGE=0，則IGBT器件從通態(tài)轉(zhuǎn)人斷態(tài)。
4 IGBT的選擇
通常情況下，選擇IGBT模塊時(shí)主要應(yīng)考慮器件的額定電壓和額定電流。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的資料，正確選用IGBT有兩個(gè)關(guān)鍵因素：一是在器件關(guān)斷時(shí)，在任何被要求的過載條件下，集電極峰值電流都必須小于兩倍的額定電流。二是IGBT工作時(shí)內(nèi)部結(jié)點(diǎn)溫度必須始終保持在 150°C以下。在任何情況下，包括負(fù)載過載時(shí)．都必須如此。其次要防止IGBT因過電壓或過電流引起損壞或工作不穩(wěn)定，必要時(shí)應(yīng)降額使用，以保證應(yīng)用電路的可靠及穩(wěn)定。
5 IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
IGBT器件在理論上十分容易控制．只要在其柵極施加一定的電壓就可使器件導(dǎo)通，撤掉該電壓后器件關(guān)斷。但在實(shí)際應(yīng)用中要注意以下幾點(diǎn)。
1）驅(qū)動(dòng)電路能提供一定幅值的正反向柵極電壓。在開通時(shí)，要大于器件的開通閥值但不可超過+20V。關(guān)斷時(shí)，必須為IGBT器件提供一個(gè)-5～-l5V的，以便縮短關(guān)斷時(shí)間，提高IG—BT器件工作的可靠性。
2）驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)有隔離的輸人、輸出信號(hào)功能，同時(shí)信號(hào)在驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部傳輸無延時(shí)或延時(shí)很短。
3）在柵極回路中必須串聯(lián)合適的柵極電阻R0增大時(shí)，IGBT開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)，開關(guān)損耗加大；R0太小時(shí)，導(dǎo)致IGBT柵極、發(fā)射極之間振蕩，引起IGBT集電極產(chǎn)生尖峰電壓，使IGBT損壞。
4）驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有過電壓保護(hù)能力，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。
目前．生產(chǎn)IGBT器件的廠家生產(chǎn)了多種專用驅(qū)動(dòng)電路可供選擇，如公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)模塊M57962AL2J，它的內(nèi)部組成見圖2，其各管腳功能分別是：13和14腳是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，4腳是正電源端；6腳是負(fù)電源端：1腳和2腳是故障信號(hào)輸入端：
M57962AL的主要特點(diǎn)有：
1）高速輸入、輸出隔離，絕緣強(qiáng)度高達(dá)AC2500V／min。
2）輸入、輸出電平與1TrL電平兼容，適于單片機(jī)控制。
3）內(nèi)部有定時(shí)邏輯短路保護(hù)電路，同時(shí)具有延時(shí)保護(hù)特性：
4）具有可靠通斷措施（采用雙電源）；
5）驅(qū)動(dòng)功率大，可以驅(qū)動(dòng)600A／600V或400A／1200V的IGBT模塊。
