摘 要： 通过GTR，MOSFET，IGBT三者的特性比较，介绍了它们的特点；详细描述了IGBT的特性以及逆变器的电路原理。
关键词： IGBT；开关损耗；全桥式逆变主电路
7.5 IGBT逆变弧焊机
7.5.1 IGBT特性及其逆变器电路原理
7.5.1.1 IGBT特性
IGBT是绝缘栅双极晶体管的代号。
IGBT简称绝缘门栅极晶体管。它是将MOSFET和GTR集成在一个芯片上的复合器件。功率MOSFET是单极型电压驱动器件。它具有工作速度快、输入阻抗高、热稳定性好以及驱动电路简单等特点，但它导通电阻较大，电流容量也较低，而GTR是双极型电流驱动器件，其阻断电压高，载流能力强，但工作速度较慢，驭动电流大、控制电路较复杂。这两类器件的缺点限制了它们的发展。目前出现许多新型复合器件，如MOS/双极复合晶体管、MOS/双极复合晶闸管，这些新型电力电子复合器件集合了单极型和双极型器件各自的优点。
IGBT发展较快，这种复合器件属于晶体管类，它既可作为开关用，也可作为放大器件使用。由于它综合了MOSFET和GTR两者的优点，因而具有良好的特性，很适合作焊接电源的逆变器开关用因此它的问世给逆变焊接电源的发展带来更广阔前景现在，我国已经开发出100－630A各种规格IGBT逆变弧焊电源，目前在全控型电力电子器件中IGBT已在国际上应用得最为广泛。
IGBT与MOSFET比较有如下不同点：
a. IGBT单管或模块容量比较大。耐压1200V，最大容量可达600A，而MOSFET耐压1000V，最大容量只有30A左右。因而，用于埋弧焊机的弧焊逆变器不必采用多管IGBT并联，减少了调节工作量。
b. IGBT饱和压降比较低，有利于减少管子功率损耗。例如德国生产的BSM-GB系列的IGBT，各种规格的饱和压降UCFS均为2.8V，而MOSFET由于通道电阻比较大，饱和压降一般在3～4V以上，导通管子功率损耗较大，图7-9为IGBT与MOSFET，GTR(双极型晶体管)通态电压特性比较。由图可见，IGBT的通态电压和GTR相同，与偏置电压有关。但在大电流区域内，由于电导调制作用，IGBT比MOSFET的通态电压低。
c. MOSFET的通态温度系数为正。即随着电流增加和温度上升，其通道电阻增加。这一特性对管组的并联非常有利，即并联工作管子中，哪一个温度高，通道电阻也增大，使其所通过的电流相对减小。而GTR则相反，由于它的通态温度系数为负，并联工作的管组中，哪一个管子温度上升，通道电阻变小，使其所通过的电流增加。如此演变下去，就可能导致该管子由于电流、温度的不断增加而烧坏。IGBT又是另一种特性，在小电流区域内通态温度系数为负值，在大电流区域内为正值，即当电流增大到一定值之后温度系数由负变正，对管子并联工作有利。
d.开关损耗特性。如图7-9所示，IGBT的开关损耗比GTR小，一般约为其1/5-1/3，但比MOSFET大，这与它们的开关时间快慢有关。集电极电流Ic与关断时间关系如图7-10所示。
e.高频特性。图7-10为3种管子在高频开关工作时的损耗与逆变频率的关系。由图可见，MOSFET可工作在30kHz以上，IGBT工作在10～30kHz， GTR工作在25kHz以下。
为了更好地比较IGBT，MOSFET和GTR的特性和主要性能指标关系，用表7-5工作说明。
综上所述，IGBT作为焊接电源逆变器开关器件有如下优点。
a.电压驱动，驱动功率小，输人阻抗高。只有当门极偏压超过一定值(阀值)时才出现沟道。一般门限电压UGE(th)为2.5～5V。推荐门驱动电压12～15V。IGBT是电压驱动容性输入阻抗器件，输入电容比MOSFET小。Ccc /CcE 二之比是MOSFET的1/3，这样降低了对门极驱动电路的要求。
b.高的开关速度，一般开关时间是同规格GTR的1/10，一般GTR工作频率在5kHz以下，MOSFET为30kHz以下，IGBT在10～30kHz。最佳工作频率范围是60-20000Hz(美国IXYS公司)。
c.电流密度高，载流容量大，电流密度为同规格双极晶体管的1.5倍，载流容量为MOSFET的5～10倍。
d.开通损耗小，饱和压降降低，开关损耗约为双极晶体管的1/3左右，IGBT的饱和压降较低，标准饱和压降为3V，与相同规格的MOSFET祖比，通态电阻RON至少小10倍，通态压降UCE(on减少10倍，通态损耗大大减小，如图7-11所示。在额定条件下，饱和压降与温度的关系为1.4倍/100℃，而MOSFET约为2倍/100℃。
e.安全工作区宽。IGBT与MOSFET相同，没有二次击穿现象，高压安全工作区比双极晶体管宽。
但IGBT使用时应注意以下几点：
a.由于极高的输人阻抗，对静电放电敏感，使用时应尽量防止感应电荷的存在。
b.为了防止误动作，门极应加5V或更大反向偏置电压。
c.为了避免发生擎住现象，设计电路时应保证IGBT中的最大集电极电流不超过Icm值，或用加大门极电阻Rc的办法延长IGBT的关断时间，减小重加UCE/dt。
7.5.1.2 IGBT逆变器电路原理
图7-12为IGBT全桥式弧焊逆变器原理框图及其逆变主电路图。
三相380V交流电压经全桥整流滤波后，送到IGBT全桥式逆变开关，逆变产生的高频(20kHz)交流电压经二次侧带有中间抽头的功率高频变压器降压，以及整流滤波后送到电弧负载。焊接电压、电流的调节和外特性形状的控制，采用脉宽调制(PWM) ，电流反馈信号借助莱姆((LEM)电流传感器获得，如图7-12a所示。
图7-12为其全桥式逆变主电路。采用全桥式的目的，在于使开关管承受同样的耐压和电流情况下逆变器有更大的功率输出。全桥式逆变主电路由功率开关管IGBT
1 ，IGBT
2 ，IGBT
3 ，IGBT
4 和高频变压器等主要器件组成。VD
1 ～VD
4 ；与IGBT
1 ，IGBT
2 ，IGBT
3 ，IGBT
4 反向并联，承受负载产生的反向电流以保护开关管。4个缓冲(吸收)环节的引人是为了避免4个开关管在关断时过高的电压上升速度((dv/dt)和减少管子的关断损耗。在此电路中，桥式对边上的2只IGBT如IGBT
1 ，IGBT
4 或IGBT
2 ，IGBT
3 是同时导通和关断的，对边上的2对开关管交替通断，相位差为180°。当激励脉冲信号轮流驱动IGBT
1 ，IGBT
4 和IGBT
2 ，IGBT
3 时，逆变主电路把直流高压U
d (约540V)转换为20kHz的高频交流电压送到高频变压器，经降压整流滤波输出由于IGBT的单管(特别是模块)控制电流能力强(最大可达600A以上)，因此电路的行一开关臂可以仅用单只IGBT，简化了主电路和驱动电路的结构二也就是说，驱动电路的设计只需考虑能激励单只MOSFET所需功率就行(IGBT与MOSFET同属电压控制型)，借助PWM调制和只取电流负反馈，便可以获恒电流特性，如图7-13a所示。曲线1为恒流特性，曲线2为电弧负载特性。在某只IGBT上的电压u
CE 和电流i
C 波形，如图7-13b所示。
直流弧焊逆变器电流反馈信号的采样方式有多种：在交流侧接交流互感器；在直流侧接无感电阻或直流互感器。它们各自有不同的优缺点。而PWM控制的直流弧焊逆变器多是采用电流表配用的分流器(RS)代替无感电阻，对焊接电流采样。分流器不是无感电阻，得到的反馈信号为毫伏级(小于等于75mV)，信噪比小。这种取样方式在控制电路与输出主电路之问有公共点，以致干扰增加，一般需要通过光电锅合器来隔离电的直接联系，提高反馈系统的稳定性本例采用莱姆(LEM)电流传感器对焊接电流采样，实现了与输出主电路完全隔离，动态反应快，采样电流与输出电流线性好的反馈控制。
全桥式逆变主电路除了可以输出较大功率、开关管耐压要求较低外，与双重正励单端逆变主电路比较，还有结构十分紧凑(只需1个高频变压器，而双重单端电路需2个高频变压器)，特别有利于采用串联式双单元的模块开关管，占地面积较小，但其高频变压器的二次绕组需要中间抽头，制作比较麻烦。此外，在调试中必须严格控制脉冲的占空比(脉冲宽度与周期的比例)。一般其最大占空比采用0.4，否则有可能出现两对边开关管重叠导通，将输入直流电源(Ud)路而烧坏开关管的现象。这种情况给调试工作增加了难度。
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