IGBT模块在薄膜电容分容机中的应用

摘要：绝缘栅双极晶体管（IGBT）因其性能优越、控制方便而广泛应用于电源、变频调速装置和电动汽车等领域。介绍了绝缘栅双极晶体管（IGBT）在薄膜电容分选机中的应用情况，分析了IGBT在实际应用中应注意的问题。
关键词：绝缘栅双极型晶体管；薄膜电容；分选机
1 薄膜电容分选机介绍
　　薄膜电容分选机是薄膜电容器生产工艺中的重要设备之一。它具有容量不足（C0）检测、直流充放电（dVIdt）测试、直流耐压检测（DCTV）、绝缘电阻（IR）检测、损耗及电容容量（DI&AC—D2）测试及分选功能。直流充放电（dV/dt）测试是一项重要的测试。
　　它的主要作用是剔除那些因原材料和工艺上有明显缺陷而使绝缘强度显著降低的电容器。
2 直流充放电（dV/dt）测试的原理
　　根据对故障电容器的分析，绝缘强度降低大多数是电容器被击穿。电容器的击穿是电容器在工作过程中由于电介质或绝缘体被破坏而导致短路的现象。
      电介质的击穿主要分为以下3种情况：
　　1）电击穿：加在电介质上的电压使电介质微观结构遭到破坏，致使出现很大的传导电流而使两极短路。
　　2）热击穿：电介质在长期工作时产生的热量大于散出的热量，使介质热崩溃，发生在高频、高压下。
　　3）老化击穿：电介质在电场长期作用以及外界因素的促使下老化，电性能明显下降的现象。在生产工厂主要针对前两种击穿进行试验。因此直流充放电测试装置主要由3个部分组成：直流高压发生电路，频率产生和逻辑控制接口电路，充放电开关电路。
　　根据薄膜电容器的生产工艺，不同耐压值的产品使用的测试电压不同。对于小型电容器，耐压最高可达1000V。因此，需要选择合适的器件作为电子开关。而绝缘栅双极型晶体管（IGBT）既具有金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的快速响应、高输入阻抗等特点，又具有双极结型晶体管（BJT）的低通态压降、高电流密度的特性，适于在这种场合应用。
3 IGBT工作原理
　　绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是80年代中期问世的一种复合电力电子器件．其输入控制部分为MOSFET，输出级为双级结型三极晶体管。因此，兼有MOSFET和电力晶体管的优点，即高输人阻抗、电压控制、驱动功率小、开关速度快等，工作频率可达到10～40kHz（比电力三极管高），饱和压降低（比MOSFET小得多，与电力三极管相当），电压、电流容量较大，安全工作区域宽。IGBT本质上是一个场效应管．只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。它的开关特性非常接近功率MOSFET，而且导通特性也不受工作电压影响。IGBT有3个电极，见图1。
　　栅极G、发射极E和集电极C。输入部分是一个MOSFET管，输出部分为一个三极管。当栅极G与发射极E之间的外加电压UGE=0时，MOSFET管内无导电沟道，IC=0，MOSFET处于断态在栅极G与发射极E之间的外加控制电压，可以改变MOSFET管导电沟道的宽度，从而控制了IGBT管的集电极电流。当足够大时（例如15V），则IGBT进入通态。一旦撤除UGE，即UGE=0，则IGBT器件从通态转人断态。
4 IGBT的选择
　　通常情况下，选择IGBT模块时主要应考虑器件的额定电压和额定电流。根据生产厂家提供的资料（如日本三菱公司的应用手册），正确选用IGBT有两个关键因素：一是在器件关断时，在任何被要求的过载条件下，集电极峰值电流都必须小于两倍的额定电流。二是IGBT工作时内部结点温度必须始终保持在150°C以下。在任何情况下，包括负载过载时．都必须如此。其次要防止IGBT因过电压或过电流引起损坏或工作不稳定，必要时应降额使用，以保证应用电路的可靠及稳定。
5 IGBT驱动电路设计
　　IGBT器件在理论上十分容易控制．只要在其栅极施加一定的电压就可使器件导通，撤掉该电压后器件关断。但在实际应用中要注意以下几点。
　　1）驱动电路能提供一定幅值的正反向栅极电压。在开通时，要大于器件的开通阀值但不可超过+20V。关断时，必须为IGBT器件提供一个-5～-l5V的，以便缩短关断时间，提高IG—BT器件工作的可靠性。
　　2）驱动电路应有隔离的输人、输出信号功能，同时信号在驱动电路内部传输无延时或延时很短。
　　3）在栅极回路中必须串联合适的栅极电阻R0增大时，IGBT开关时间长，开关损耗加大；R0太小时，导致IGBT栅极、发射极之间振荡，引起IGBT集电极产生尖峰电压，使IGBT损坏。4）驱动电路应具有过电压保护能力，并有较强的抗干扰能力。
　　目前．生产IGBT器件的厂家生产了多种专用驱动电路可供选择，如日本三菱公司生产的专用驱动模块M57962AL2J，它的内部组成见图2，其各管脚功能分别是：13和14脚是驱动信号输入端，4脚是正电源端；6脚是负电源端：1脚和2脚是故障信号输入端：
　　
       M57962AL的主要特点有：
      1）高速输入、输出隔离，绝缘强度高达AC2500V／min。
      2）输入、输出电平与1TrL电平兼容，适于单片机控制。
      3）内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性：
      4）具有可靠通断措施（采用双电源）；
      5）驱动功率大，可以驱动600A／600V或400A／1200V的IGBT模块。
6 实际应用
　　在这次应用中，生产工艺要求充电电压达到1kv，放电电流达到400A。因此，我们选用了Et本三菱公司的两单元IGBT模块（600A／1200V）作为对电容进行充放电的开关。用两只M57962AL分别驱动上管和下管，保证不会使IGBT两管直接导通。直流电压通过IGBT对被测电容充放电过程如下：
　   参考图3，充电脉冲为高电平时，IGBT模块上管导通，下管截止，电流流经C1-E1C2对被测电容器充电；放电脉冲为高电平时，IGBT模块上管截止，下管导通，被测电容上的电荷通过EIC2一E2释放
7 结束语
　　绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为一种复合电力电子器件，因其性能优越、控制方便等优点已经在电源、交流电机变频调速装置和电动汽车等领域获得广泛应用。这个项目将IGBT器件应用到了新的电子专用设备领域，使其工作在直流及容性负载中，在充分掌握了这种器件的各种特性后，IGBT器件的应用领域会更广阔。
参考文献：
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