1 引言
電力電子技術(shù)作為一門高新技術(shù)學科已經(jīng)經(jīng)過了將近半個世紀的發(fā)展。隨著70年代后期各種高速全控型電力半導體器件的誕生，電力電子技術(shù)也得到了長足的發(fā)展。電力半導體器件作為電能轉(zhuǎn)換和控制的核心，也正在高頻率，大容量，集成化方向努力發(fā)展。早期的全控型器件如gtr，mosfet雖然有著自身的優(yōu)點，但是由于難以兼顧高速度和大容量的要求，因此，它們在新型電力電子裝置的應用中受到很大的局限。1982年末，美國研制出新型的復合型電力半導體器件igbt(絕緣柵雙極晶體管)，同時具有g(shù)tr載流能力強和mosfet開關(guān)速度快的特點，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了極大的重視。此后，美國的ir、德國的西門子和日本的富士、三菱、東芝、日立等國際大公司紛紛致力于igbt的開發(fā)與生產(chǎn)，研制出高頻率，低損耗的igbt和具有集成保護的智能igbt模塊。目前，國外開發(fā)的第四代和第五代igbt，廣泛應用在大功率電力變換器、開關(guān)電源、汽車電子點火器和激光電源等領(lǐng)域[1,2]。

2 逆阻式igbt的特點與應用
igbt是由雙極型pnp晶體管和mosfet復合而成，控制時具有mosfet管的特點(電平驅(qū)動)，導通時具有雙極型晶體管的特點。其等效電路如圖1所示[2]。

圖1 igbt等效電路與符號

igbt由柵極電壓的正負來控制開關(guān)的導通和截止。當ge之間電壓超過閾值電壓時，igbt的內(nèi)部mosfet形成溝道，為pnp提供基極驅(qū)動電流，從而使igbt導通;當ge之間施加負電壓或零電壓時，mosfet內(nèi)溝道消失，pnp晶體管的基極電流被切斷，igbt關(guān)斷?？梢钥吹?，導通時，igbt通態(tài)壓降小，與雙極型晶體管處于同等數(shù)量級。開關(guān)速度介于mosfet與晶體管之間。

逆阻式igbt(reverse blocking igbt，rbigbt)是在目前流行的npt型igbt基礎(chǔ)衍生出來的一種新型器件[3]。普通的npt型igbt器件在ce間承受較小反向電壓時，就會導致器件的反向擊穿。因此目前通常在igbt的ce兩端反并聯(lián)集成一個快恢復二極管，使得器件承受反向電壓時提供電流通路，從而保護器件不會因為高反壓而擊穿。而逆阻式igbt(rbigbt)在普通igbt工藝上進行改進，實現(xiàn)了器件的正反向電壓阻斷能力。圖2顯示了它們的輸出特性的區(qū)別。

圖2 rbigbt與普通igbt輸出特性曲線

由圖2可以知道，在器件正向?qū)ㄖ畷r，普通igbt與逆阻式igbt幾乎沒有什么差別，由它們的柵極電壓決定集電極的最大電流。但在器件承受反壓時，普通igbt在ce反向電壓達到幾十伏的時候，集電極電流反向突然增大，造成器件的擊穿。而逆阻式igbt正反向擊穿電壓相當，可以用于需要正反向阻斷的場合。

目前，逆阻式igbt的主要應用是組成雙向開關(guān)，使得電流能夠可控地雙向流動。雙向開關(guān)是ac-ac變換器(矩陣式變換器)的核心部分[4]。其電路拓撲如圖3所示。

圖3 矩陣式變換器結(jié)構(gòu)圖

圖3中連接三相輸入和三相輸出的9個開關(guān)均為雙向開關(guān)，通過調(diào)節(jié)雙向開關(guān)的導通和關(guān)斷，調(diào)制輸入電壓，得到期望的輸出電壓。

目前尚未有集成的單管雙向開關(guān)，早期的雙向開關(guān)使用分立的普通igbt與二極管組合而成，采用二極管橋式或者igbt串聯(lián)型。

圖4 二極管橋式雙向開關(guān) 圖5 串聯(lián)型雙向開關(guān)

圖4所示的雙向開關(guān)，雖然只使用一個igbt，但是通態(tài)壓降為一個開關(guān)壓降加兩個二極管壓降，損耗大，同時換流過程不可避免的造成輸入側(cè)短接，因此基本上已經(jīng)不再使用。圖5是目前常見的雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)，由兩個帶反并聯(lián)二極管的npt型igbt串聯(lián)，分別控制兩個器件的柵極信號實現(xiàn)電流雙向流通，兩個二極管實現(xiàn)igbt關(guān)斷時的雙向電壓阻斷。

而使用逆阻式igbt器件，只需簡單的將兩個rbigbt反并聯(lián)，即可以實現(xiàn)雙向開關(guān)的功能，如圖6所示。

圖6 逆阻式igbt反并聯(lián)型雙向開關(guān)

相對于串聯(lián)型雙向開關(guān)，這種形式的雙向開關(guān)可以將矩陣變換器中的功率器件數(shù)目減少50％，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化，并且減少矩陣變換器中的功率損耗。

3 逆阻式igbt驅(qū)動與保護電路
逆阻式igbt的動態(tài)開關(guān)特性與普通的igbt沒有太大的區(qū)別。由于igbt可以等效為mosfet與gtr的復合器件，其驅(qū)動電路的設(shè)計要求與mosfet基本相似。只需要控制igbt的柵極電壓，就可以控制igbt的開通與關(guān)斷。靜態(tài)時，igbt的柵極與射極之間靜態(tài)電阻極大，因此柵極驅(qū)動電流幾乎為零。但是動態(tài)過程中，由于igbt極間電容的存在[5](如圖7)，開通與關(guān)斷實際是對柵極輸入電容的充電與放電過程，因而均需要一定的動態(tài)驅(qū)動電流。

圖7 igbt極間等效電容

3.1 逆阻式igbt開關(guān)動態(tài)特性
(1) 開通驅(qū)動特性

圖8 igbt開通暫態(tài)過程

圖8顯示了igbt開通暫態(tài)過程中柵極電壓vge，集電極電流ic，集電極電壓vce的波形圖。從圖8中可以看出，igbt開通過程可以分為三個階段[6]:
a) 驅(qū)動開通指令發(fā)出后
驅(qū)動電源對柵極電容充電，柵極電壓vge增大，在上升到開啟閾值電壓(t1)之前，igbt仍然處于關(guān)斷狀態(tài)，集電極電流僅流過極小的正向漏電流;

b) vge超過開啟閾值電壓后
集電極電流 迅速開始上升，并在t2時刻達到最大值，此時，igbt進入米勒效應區(qū)，柵極等效輸入電容無窮大，ge電壓出現(xiàn)一個短暫的平臺;

c) 米勒效應開始后
ce電壓開始下降，直到vce達到通態(tài)電壓值，igbt進入導通狀態(tài)。

(2) 關(guān)斷驅(qū)動特性

圖9 igbt關(guān)斷暫態(tài)過程

圖9顯示了igbt關(guān)斷暫態(tài)過程中柵極電壓vge，集電極電流ic，集電極電壓vce的波形圖。從圖9中可以看出，與igbt開通過程相似的，其關(guān)斷過程同樣可以分為三個階段[6]:
a) 驅(qū)動關(guān)斷指令發(fā)出后
柵極電容通過驅(qū)動電源進行放電，vge減小，類似于開通特性，也將進入米勒效應區(qū);
b) 在米勒效應結(jié)束之前
t5時刻，vce開始上升，直到vce達到峰值之前，集電極電流 基本保持不變;
c) vge減小到開啟閾值電壓以后
igbt的內(nèi)部等效mosfet迅速關(guān)斷，然而內(nèi)部gtr關(guān)斷時間較長，因而形成關(guān)斷拖尾電流，此拖尾是不能受igbt柵極控制的，一般在1μs左右;

3.2 逆阻式igbt驅(qū)動電路設(shè)計要求
逆租式igbt與普通igbt開通關(guān)斷動態(tài)特性原理基本相似，因此，其驅(qū)動電路設(shè)計思路也基本相同。一般采用快速光耦隔離，推挽輸出驅(qū)動。然而，由于工藝上的差別，逆阻式igbt的器件特性上仍然有幾點需要特別注意的地方。

首先，普通的igbt一般可以采用±15v的驅(qū)動電壓，以提供較大的拉灌電流，使得器件開關(guān)速度增加，然而在逆阻式igbt驅(qū)動電路中，負電源電壓不要超過－5v，以免造成器件的損壞。
另一個問題在于，逆阻式igbt工作在反向阻斷狀態(tài)時，反向流過逆阻式igbt的漏電流與柵極控制電壓有著很大的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 逆阻式igbt反向漏電流與柵極控制電壓的關(guān)系

圖10中顯示，當其他條件相同的時候，柵極電壓的大小極大地影響著反向漏電流的大小。vge為0v時的反向漏電流數(shù)值約為vge為15v時數(shù)值的10倍，反向截止時的功率損耗也將成比例的增加。因此，在驅(qū)動電路或者控制中，在檢測到器件承受反向電壓時，應該給器件施加開通的驅(qū)動電壓，即＋15v電壓，以控制反向漏電流帶來的功率損耗。

3.3 逆阻式igbt的過流保護
igbt的過流保護電路是器件保護的重點。igbt的過電流一般產(chǎn)生于短路情況，這時很大的電壓直接加在器件兩端，產(chǎn)生大的短路電流。這樣的電流迅速的產(chǎn)生高溫損壞器件。另外，當電流超過一定數(shù)值時，由于igbt的寄生晶閘管作用，將可能產(chǎn)生鎖定效應，從而使igbt失去柵極關(guān)斷能力，對器件造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

目前的驅(qū)動集成芯片如exb840/841, uc3726/3727，mc33153里都整合了針對普通igbt的比較完善的過流保護電路。他們的主要思路都是通過檢測ce電壓，從而判斷igbt是否過流?；痉椒ǘ际遣捎枚O管隔離檢測，(如圖11所示)，用一個快恢復二極管d連接igbt的集電極和驅(qū)動芯片。由于普通igbt都反向并聯(lián)保護二極管，因此igbt的集電極電壓負向最低只能達到負的二極管管壓降。當igbt關(guān)斷時，二極管d將驅(qū)動電路與功率電路隔離;當igbt導通正常工作時，vce大約為2v左右，二極管d正向?qū)?，va電壓值被箝位在igbt正向壓降與二極管管壓降之和;一旦igbt過流，vce將急劇上升，va也將增大，超過一定值以后，穩(wěn)壓管z擊穿，二極管d截止，保護電路開始工作。

圖11 二極管隔離檢測原理圖

然而，所有此類的保護電路都不能直接應用于逆阻式igbt。原因在于，由于逆阻式igbt可以工作與正反向截止狀態(tài)，也即，其vce電壓可以達到正負幾百。一旦vce達到負的高電壓時，二極管d將會把功率電壓直接引入驅(qū)動回路，造成驅(qū)動電路燒毀。因而必須采取其他的過流保護方法，以保證器件的安全運行。

4 結(jié)束語
逆阻式igbt作為一種新型電力半導體器件正在逐漸應用于大功率電力變換器尤其是矩陣式變換器中，它以更簡單的形式實現(xiàn)的功率雙向可控開關(guān)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，電能損耗降低。
逆阻式igbt與普通igbt相似，采用柵極電壓驅(qū)動。其驅(qū)動電路的設(shè)計必須綜合考慮器件的靜動態(tài)性能。同時，逆阻式igbt相對于普通igbt獨有的特點也使得其驅(qū)動電路的設(shè)計上需要不同的考慮。

雖然普通igbt的集成驅(qū)動電路中整合了較為完善的過流保護電路，然而這些保護電路不能直接應用于逆阻式igbt，否則將造成電路甚至功率器件的損壞。這在逆阻式igbt過流保護的設(shè)計上需要高度注意。

參考文獻
[1] present status and trends of power semiconductor devices, product application notes[z]. fuji electrical co.
[2] 李序葆,趙永健. 電力電子器件及其應用[m]. 北京:機械工業(yè)出版社,1998.
[3] m.takei, t.naito, and k.ueno. the reverse blocking igbt for matrix converter with ultra-thin wafer technology, product application notes[z]. fuji electrical co.
[4] 孫 凱, 周大寧, 黃立培, 瀨戶誠, 木全政弘. 矩陣式變換器在電源異常時的運行性能分析[j]. 電工電能新技術(shù),2004, 23(2): 9-12; 55.
[5] s. musumeci, a. raciti, a. testa, a. galluzzo,m. melito. switching-behavior improvement of insulated gate-controlled devices[z]. ieee trans. power electronics. vol. 12, no.4, july 1997. pp.645-653.
[6] c. licitra, s. musumeci, a. raciti, a. u. galluzzo, r. letor, m. melito. a new driving circuit for igbt devices[z]. ieee trans. power electronics. vol. 10, no.3, may 1995. pp. 373-378.

作者簡介
劉智超(1980-) 男 碩士生 研究方向:電力電子與電力傳動。