开关电源IGBT的可靠性能解析 - 电源
一、IGBT的简单介绍 绝缘栅双极型晶体管（简称“IGBT”）是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET,输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。 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MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极-发射极间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。 二、IGBT的可靠性要素 IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定： 1.IGBT栅极与发射极之间的电压； 2.IGBT集电极与发射极之间的电压； 3.流过IGBT集电极-发射极的电流； 4.GBT的结温。 如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极-发射极之间的耐压，流过IGBT集电极-发射极的电流超过集电极-发射极允许的大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。 三、IGBT的检测方法 1.判断极性 首先将万用表拨在R×1KΩ挡，用万用表测量时，若某一极与其它两极阻值为无穷大，调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为无穷大，则判断此极为栅极（G ）其余两极再用万用表测量，若测得阻值为无穷大，调换表笔后测量阻值较小。在测量阻值较小的一次中，则判断红表笔接的为集电极（C）；黑表笔接的为发射极（E）。 2.判断好坏 将万用表拨在R×10KΩ挡，用黑表笔接IGBT 的集电极（C），红表笔接IGBT 的发射极（E），此时万用表的指针在零位。用手指同时触及一下栅极（G）和集电极（C），这时IGBT 被触发导通，万用表的指针摆向阻值较小的方向，并能站住指示在某一位置。然后再用手指同时触及一下栅极（G）和发射极（E），这时IGBT 被阻断，万用表的指针回零。此时即可判断IGBT 是好的。 总之，任何指针式万用表皆可用于检测IGBT.注意判断IGBT 好坏时，一定要将万用 表拨在R×10KΩ挡，因R×1KΩ挡以下各档万用表内部电池电压太低，检测好坏时不能使IGBT 导通，而无法判断IGBT 的好坏。此方法同样也可以用于检测功率场效应晶体管（P-MOSFET）的好坏。 四、IGBT的使用注意事项 由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到20~30V.因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点： 1.在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸；在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作。 2.在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。 3.在栅极-发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。 总之，在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时（栅极处于开路状态），若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10KΩ左右的电阻。在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。
开关电源的电磁干扰分析 - 电源
开关电源的结构如图1所示。首先将工频交流整流为直流，再逆变为高频，后再经整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压。电路设计及布局不合理、机械振动、接地不良等都会形成内部电磁干扰。同时，变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，也是潜在的强干扰源。
开关电路
开关电路主要由开关管和高频变压器组成。开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，它产生的具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。开关管负载为高频变压器初级线圈，是感性负载。当原来导通的开关管关断时，高频变压器的漏感产生了反电势E其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。
整流电路的整流二极管
输出整流二极管截止时有一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。它会在变压器漏感和其他分布参数的影响下产生很大的电流变化，产生较强的高频干扰，频率可达几十兆赫兹。
杂散参数
由于工作在较高频率，开关电源中的低频元器件特性会发生变化，由此产生噪声。在高频时，杂散参数对耦合通道的特性影响很大，而分布电容成为电磁干扰的通道。
2 外部干扰源
外部干扰源可以分为电源干扰和雷电干扰，而电源干扰以“共模”和“差模”方式存在。同时，由于交流电网直接连到整流桥和滤波电路上，在半个周期内，只有输入电压的峰值时间才有输入电流，导致电源的输入功率因数很低(大约为0.6)。而且，该电流含有大量电流谐波分量，会对电网产生谐波“污染”。
常见开关电源变压器的设计有以下四种：
电源变压器与一般的器件一样,应急工作时可以将其多个变压器在一定条件下进行串并联使用,如市售的电源变压器是完全可以满足要求。变压器功率满足要求时,而没有合适的电压,可以将两个或多个变压器串联使用;在电压满足的条件下,而变压器功率不够时,又可以将两个或多个变压器并联使用,以满足电路供电要求。电源变压器是由电感线圈构成的,所以完全遵循电感器的运算规则,即可把电源变压器初级串联,也可在输出的次级串联……现将四种情况分别介绍如下。
1．电源变压器的初级串联。在变压器计算式中有一个常数N称为匝数比,它是初级匝数与次级匝数之比,初次级电压比关系为N,而初次级电流比关系为。例如：两个初级为220V,次级为18V的变压器,N为13,如果将两个变压器的初级串联,则在单个次级上输出电压将降到9V以下。而这种情况是在单个变压器的次级电压高于成倍用电器电源使用情况下,可以将两个或多个变压器初级串联使用。而如再将两个次级串联就没有多大使用价值了。在此情况下,只要保证单个变压器的功率要求,则次级输出电压不一定相同,它的输出电压计算为：V单＝(V1次＋V2次＋……Vn次)
2．电源变压器的次级串联。 电源变压器的次级串联是在单个功率满足情况下,而次级输出电压不满足时将两个或多个变压器的组合。如两个变压器的初级输入为220V,次级输出为18V时,如要给负载供33V电压,则可以将两个变压器的次级串联起来应用。电源变压器的次级串联也是很容易的,不同的次级输出只要保证单个变压器功率的条件下也是可以将其次级串联应用的。在理想状况下多个变压器的初级输入电压相同时,总输出计算式为：V总＝V初单1次＋V2次＋……Vn次)。
3．变压器的初级并联。这种情况是我们生活中常见的实例,多个不同供电的老式彩电中的遥控变压器和主变压器(电源开关变压器)均属于变压器初级的并联。
4．变压器的次级并联。电源变压器的次级并联是在单个变压器次级输出电压相同而单个功率不能满足的情况下的应用。其应用是将多个变压器的次级电流叠加,以满足负载的功率需要。电源变压器的次级并联,可使输出功率为多个变压器功率之和。电源变压器的串并联应用是不分线性电源电路和电路的。在以前的线性电源电路中,次级串联的应用实例更多些,比如电视机中的行逆程变压器,就是运用了变压器次级的串联。现在的大功率开关电源中,次级并联的应用要多些,如上百瓦的开关电源中常将变压器的次级并联,以增大功率。电源变压器的串并联应用时要注意以下几点：
(1)电源变压器在串并联时要注意变压器的同名端,串联应用时要顺串而不能反串,并联使用时要同名端与同名端相并,否则就会烧毁变压器。
(2)以上计算只是理想算法,而实际上在它们串并联后的单个变压器损耗是非常大的。每个电源变压器的次级输出电压会比上式计算结果低的。
(3)不同次级输出,如要并联使用,好在稳压后进行,且并联电压是取变压器输出中低的电压值。次级串联应用时,可以是次级直接串联,也可以在稳压后再串联。
(4)电源电路中的共地是必须的。只有在一个参考点的条件下才能进行电位比较和电压计算。
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