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船舶电力系统中IGBT的应用 绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Tran—sistor，缩写IGBT)，可以看作绝缘栅型场效应管(MOSFET)和双极型晶体管组成的复合半导体器件。它融和了这两种器件的优点．既具有MOSFET器件的高输入阻抗、驱动简单、开关速度快等特点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的特点。在风力发电、太阳能发电、高铁及轨道交通、电动汽车、电网等产业的现代电力电子技术中应用日益广泛。 船舶电力系统曾经广泛使用可控硅。而IGBT，不仅具有可控硅的功能，还具有可控硅不可比拟的一些优点，IGBT会更广泛的应用于船舶电力系统。 1 IGBT 1．1 IGBT的结构和工作原理 IGBT有栅极G、集电极C、发射极E等三个极，是一种由N沟道MOSFET与PNP晶体管组合而成的IGBT的结构。N一区称为漂移区，是掺杂浓度低(接近无掺杂)的纯净半导体，故可以承受很高的电压而不被击穿，从而使IGBT能够承受反向高电压。N+区称为缓冲区，与相邻的N一区一起，既可以看作PNP晶体管的基区。又可以看成MOSFET的漏区。 (注意，表示半导体类型字母的右上角“+”表示高掺杂浓度，“一”表示低掺杂浓度)。 对比IGBT与MOSFET的结构。IGBT比MOSFET多了一层P注入区。与上述N区形成一个大面积的PN结J。IGBT导通时，由P注入区向N一漂移区发射少子，形成电导调制效应以减少通态电压和损耗。使得IGBT具有很强的通流能力。所谓电导调制效应，指：·当PN结正向电流较小时，低掺杂N一区的阻值较高且为常量：·当PN结正向电流较大时。由P区注入并积累在低掺杂N一区的少子空穴浓度将很大，其多子浓度也相应大幅度增加(以维持半导体的电中性条件)，使电阻明显下降即电导率大大增加。 可以把IGBT看作一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 IGBT的开通和关断，由栅极和发射极间的电压UcE决定：向栅极与发射极间施加正向电压或正向电压信号时，Uor为正且大于开启电压U(=Ic(叭MOSFET内形成沟道并为晶体管提供基极电流，IGBT导通。由于前面提到的电导调制效应，电阻R。减小，使高耐压的IGBT 具有很小的通态压降。向栅极与发射极间施加反向电压或不施加信号 时，UGE为负或小于开启电压U蕊(叭MOSFET内沟道消失。晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。以上所述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT， 1．2 IGBT的基本特性 (1)转移特性 转移特性，描述集电极电流I。与栅一射电压U伍之间的关系。 开启电压U伍。m，是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅一射电压，随温度升高而略有下降，+25℃时一般为2—6 V。 (2)输出特性(也称伏安特性) 输出特性，描述以栅一射电压作为参考变量，集电极电流I。与集一射极间电压U皿间的关系。 IGBT的输出特性的正向阻断区、有源区、饱和区等三个区域．分别对应晶体管的截止区、放大区、饱和区等三个区域；此外还有反向阻断区，即U,x<0，此时IGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBT只工作于开、关两种状态．即在正向阻断区与饱和区之间转换。 1-3 IGBT的主要参数 最大集一射极间电压UcEs，取决于IGBT内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压。 最大集电极电流，包括额定直流电流I。和1 ms脉宽最大电流I，最大集电极功耗P，指正常工作温度下允许的最大散耗功率。 2可控硅 可控硅，学名晶闸管，有阳极A、阴极K、控制极G等三个极。可控硅的导通。需同时具备两个条件：阳极与阴极之间必须加正向电压：以及控制极与阴极之间施加适当的正向电压(即向控制极加正触发脉冲信号)。可控硅关断，只需具备下列二条件之一：阳极与阴极间的电压降低(即通过可控硅的电流低于它的维持电流)；或，阳极与阴极之间施加反向电压。控制极的作用：控制极与阴极之间施加适当的正向电压，能使可控硅由关断变为导通；而可控硅一旦导通，控制极就失去了控制作用，即使控制极上的正向触发电压消失，可控硅仍维持导通，而不能使它由导通变为关断。 3比较IGBT与可控硅IGBT与可控硅 都是开关元件，都具有单向导电性，都是用较小的电流(或电压)去控制较大的电流，均可用作整流和逆变元件。 IGBT与可控硅有两点主要不同。 (1)功能不同 可控硅为半控型器件，控制信号只能控制其导通，而不能控制其关断(关断由它在主电路中承受的电压和电流决定)，只可作开关元件。 而IGBT为全控型器件，控制信号既可以控制其导通也可以控制其关断，故既可作为开关元件也可以用作功率输出管。 (2)性能差异 ·控制电路——可控硅为电流驱动型电力电子器件，从控制端注入电流实现导通控制，控制极所需驱动功率大。驱动电路比较复杂；而IGBT为电压控制型电力电子器件，也称为场控器件，在控制端与公共端之间施加一定的电压信号即可实现其导通和关断，输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单且有专用的集成电路。 ·工作频率——IGBT比可控硅的高。 ·功耗——同电流等级，IGBT比可控硅小。 ·承受的电压和电流容量——可控硅所能承受的电压和电流容量，目前仍然是电力电子器件中最高的；IGBT耐受电压和电流的能力也在不断提升。 4 IGBT在船舶上的应用 可控硅，1956年在美国贝尔实验室发明，1958年达到商业化，工作可靠，具有价格优势，船舶应用广泛，例如同步发电机自励恒压装置、直流电动机调速装置、轴带发电机品闸管变流器系统、无功补偿器、蓄电池充电装置、应急逆变电源等，轮机人员比较熟悉。20世纪80年代以来，可控硅开始被各种性能更好的全控型器件(例如IGBT)所取代，但可控硅在大容量且不需要自关断能力的场合仍占有蕈要地位。IGBT，1986年投入市场。先后经历几代产品的更迭，各方面性能(含可靠性)不断提高，成本不断下降，不断夺取传统上属于可控硅的应用领域。已经成为中、大功率电力电子设备的主导器件。随着全控型器件技术进步和成本降低，船舶的下述装置可能应用IGBT越来越多。 4．1 交流异步电动机的变频调速 目前，船上拖动电机几乎全都采用异步电动机，但是调速性能较差，特别是使用广泛的鼠笼式异步电动机。过去，调速要求不高的设备，例如锚机、绞缆机、起货机等．常采用改变磁极对数的方法实现级差调速；调速要求较高的设备，只好采用直流电动机，或采用液压马达等其它拖动方式。变频调速是异步电动机非常理想的调速方式，不仅可以实现无级平滑调速。而且可以降低异步电动机的启动电流．减少对电网的冲击，实现电动机的平稳启动。但变频调速在船舶上的使用较少，原因是变频调速的关键设备调频器技术复杂，价格贵，且管理要求高。调频器的技术瓶颈之一就是电子开关器件。以前常采用可控硅，但是其控制电路复杂增加了技术难度。而IGBT是电压控制的全控型器件，驱动电路简单。恰好可以弥补可控硅的不足。增加了变频器的可靠性。现在制造的中、小功率变频器，已普遍采用IGBT。随着变频技术的快速发展。基于IGBT的变频器将越来越多的应用于船舶。 4．2船舶电力推进装置 船舶电力推进装置．具有可靠性高、操纵性好、易于实现自动化、节省空间、布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点．随着船舶电力推进技术不断推陈出新，越来越多的新建船舶采朋电力推进方案。新建船舶电力推进系统中。推进电动机主要采用交流电动机。交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两类。同步电动机承受扰动能力强，调速范围宽，可以和螺旋桨直接相连．而被大多数现代船舶电力推进系统采用。同步电动机的调速方式为变频调速，其调速装置的发展趋势是使用IGBT为代表的全控型器件。比如近年来出现的矩阵式变频电路所用的开关器件就是全控型的．已有lMW以下同步电动机应用IGBT变频装置的实例。如果使用异步电动机作为推进电机，其调速方式与上述用于交流异步电动机拖动的方式类似。只是电动机和调速装置的容量要大得多。 4．3无功功率补偿器 船舶电网的大负载主要是电感性的电动机。船舶电网感性负载较大时功率冈素降低．发电机可能电流过载而不能充分发挥功率。为此，许多船舶安装无功功率补偿装置。目前，很多无功功率补偿装置采用晶闸管投切电容器。这种无功功率补偿装置．通常将电容器分成若干组。每组以相应的晶闸管作为电子开关．根据电网感性负载的大小，自动控制电容器投入的组数。这实际上是分级调节的动态无功功率补偿。电容器分组越多，无功功率补偿越充分；但从简化制造和经济性考虑，电容器分组不宜过多。近年出现的静止无功发生器(SVG)，采用全控型器件(如IGBT)，可实现无功功率补偿的连续调节。目前，中、小容量的低压SVG已开始形成系列产品。 4．4轴带发电机的整流一逆变装置 轴带发电机具有节能、利于能量综合利用、改善机舱环境等优点。随着各种形式的轴带交流发电机装置应运而生，近年来新造的大型船舶，多采朋轴带发电机和柴油发电机组共同作为船舶电站动力源的方案。对于定距桨船舶，晶闸管(可控硅)整流一逆变器型轴带发电机应用较多。这种形式轴带发电机系统的逆变器可以使{IGBT替代目前常用的可控硅。因为IGBT是全控型器件，不仅控制电路简单。而且功耗低尤其适合减少主电路(大电流)开关器件发热。 4．5开关电源 开关电源的效率、体积、重最等方面都远优于传统电源，故广泛用于各种电子设备、仪器以及家电。现代船舶的各种电子航海仪器、通讯设备．以及大量应用的单片机、单板机、PLC等各种微机。一般都采用开关电源供电。而以IGBT作为开关器件的开关电源，具有电路简单、效率高的特点，正被越来越多使用。 此外，船舶发电机调压装置、蓄电池充电装置、应急逆变电源、新型电焊机等，都可采用IGBT。总之，船舶小到开关电源，大到推进电动机的控制电路，都可能用到IGBT，轮机人员应该了解IGBT。 | 
发表于 2012-5-30 11:25
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