IGBT的保護

摘要：通過對IGBT損壞機理的分析，根據其損壞的原因，采取相應措施對其進行保護，以保證其安全可靠工作。

關鍵詞：IGBT；MOSFET；驅動；過壓；浪涌；緩沖；過流；過熱；保護

0??? 引言

??? 絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作是MOS輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優點，既具有MOSFET器件驅動簡單和快速的優點，又具有雙極型器件容量大的優點，因而，在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。

??? 在中大功率的開關電源裝置中，IGBT由于其控制驅動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統的前級，由于受電網波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大，故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環節。

1??? IGBT的工作原理

??? IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

圖1??? IGBT的等效電路

??? 由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：

??? ——IGBT柵極與發射極之間的電壓；

??? ——IGBT集電極與發射極之間的電壓；

??? ——流過IGBT集電極－發射極的電流；

??? ——IGBT的結溫。

??? 如果IGBT柵極與發射極之間的電壓，即驅動電壓過低，則IGBT不能穩定正常地工作，如果過高超過柵極－發射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發射極允許的電壓超過集電極－發射極之間的耐壓，流過IGBT集電極－發射極的電流超過集電極－發射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞。

2保護措施

??? 在進行電路設計時，應針對影響IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相應的保護措施。

2．1??? IGBT柵極的保護

??? IGBT的柵極－發射極驅動電壓VGE的保證值為±20V，如果在它的柵極與發射極之間加上超出保證值的電壓，則可能會損壞IGBT，因此，在IGBT的驅動電路中應當設置柵壓限幅電路。另外，若IGBT的柵極與發射極間開路，而在其集電極與發射極之間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與集電極和發射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極－發射極有電流流過。這時若集電極和發射極間處于高壓狀態時，可能會使IGBT發熱甚至損壞。如果設備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開，在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會損壞。為防止此類情況發生，應在IGBT的柵極與發射極間并接一只幾十kΩ的電阻，此電阻應盡量靠近柵極與發射極。如圖2所示。

圖2??? 柵極保護電路

??? 由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體，特別是其柵極為MOS結構，因此除了上述應有的保護之外，就像其他MOS結構器件一樣，IGBT對于靜電壓也是十分敏感的，故而對IGBT進行裝配焊接作業時也必須注意以下事項：

??? ——在需要用手接觸IGBT前，應先將人體上的靜電放電后再進行操作，并盡量不要接觸模塊的驅動端子部分，必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉；

??? ——在焊接作業時，為了防止靜電可能損壞IGBT，焊機一定要可靠地接地。

2．2??? 集電極與發射極間的過壓保護

??? 過電壓的產生主要有兩種情況，一種是施加到IGBT集電極－發射極間的直流電壓過高，另一種為集電極－發射極上的浪涌電壓過高。

2.2.1??? 直流過電壓

??? 直流過壓產生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時，進行降額設計；另外，可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入，保證IGBT的安全。

2.2.2??? 浪涌電壓的保護

??? 因為電路中分布電感的存在，加之IGBT的開關速度較高，當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時，就會產生很大的浪涌電壓Ldi/dt，威脅IGBT的安全。

??? 通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示。

圖3??? IGBT的浪涌電壓波形

圖中：v_CE為IGBT集電極－發射極間的電壓波形；

????? i_c為IGBT的集電極電流；

????? U_d為輸入IGBT的直流電壓；

????? V_CESP=U_d＋Ldi_c/dt,為浪涌電壓峰值。

??? 如果V_CESP超出IGBT的集電極－發射極間耐壓值V_CES，就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：

??? ——在選取IGBT時考慮設計裕量；

??? ——在電路設計時調整IGBT驅動電路的R_g，使di/dt盡可能小；

??? ——盡量將電解電容靠近IGBT安裝，以減小分布電感；

??? ——根據情況加裝緩沖保護電路，旁路高頻浪涌電壓。

??? 由于緩沖保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用，在此將緩沖保護電路的類型和特點作一介紹。

??? ——C緩沖電路??? 如圖4(a)所示，采用薄膜電容，靠近IGBT安裝，其特點是電路簡單，其缺點是由分布電感及緩沖電容構成LC諧振電路，易產生電壓振蕩，而且IGBT開通時集電極電流較大。

??? ——RC緩沖電路??? 如圖4(b)所示，其特點是適合于斬波電路，但在使用大容量IGBT時，必須使緩沖電阻值增大，否則，開通時集電極電流過大，使IGBT功能受到一定限制。

??? ——RCD緩沖電路??? 如圖4(c)所示，與RC緩沖電路相比其特點是，增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大，避開了開通時IGBT功能受阻的問題。

（a）C緩沖電路??? （b）RC緩沖電路

（c）RCD緩沖電路??? （d）放電阻止型緩沖電路

圖4??? 緩沖保護電路

??? 該緩沖電路中緩沖電阻產生的損耗為

??? P=LI²f＋CU_d²f

式中：L為主電路中的分布電感；

????? I為IGBT關斷時的集電極電流；

????? f為IGBT的開關頻率；

????? C為緩沖電容；

????? U_d為直流電壓值。

??? ——放電阻止型緩沖電路如圖4(d)所示，與RCD緩沖電路相比其特點是，產生的損耗小，適合于高頻開關。

??? 在該緩沖電路中緩沖電阻上產生的損耗為

??? P=LI²f

??? 根據實際情況選取適當的緩沖保護電路，抑制關斷浪涌電壓。在進行裝配時，要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感，接線越短越粗越好。

2．3??? 集電極電流過流保護

??? 對IGBT的過流保護，主要有3種方法。

2.3.1??? 用電阻或電流互感器檢測過流進行保護

??? 如圖5（a）及圖5（b）所示，可以用電阻或電流互感器與IGBT串聯，檢測流過IGBT集電極的電流。當有過流情況發生時，控制執行機構斷開IGBT的輸入，達到保護IGBT的目的。

2.3.2??? 由IGBT的V_CE(sat)檢測過流進行保護

??? 如圖5（c）所示，因V_CE(sat)=I_cR_CE(sat)，當I_c增大時，V_CE(sat)也隨之增大，若柵極電壓為高電平，而V_CE為高，則此時就有過流情況發生，此時與門輸出高電平，將過流信號輸出，控制執行機構斷開IGBT的輸入，保護IGBT。

2.3.3??? 檢測負載電流進行保護

??? 此方法與圖5（a）中的檢測方法基本相同，但圖5（a）屬直接法，此屬間接法，如圖5（d）所示。若負載短路或負載電流加大時，也可能使前級的IGBT的集電極電流增大，導致IGBT損壞。由負載處（或IGBT的后一級電路）檢測到異常后，控制執行機構切斷IGBT的輸入，達到保護的目的。

（a）用電阻檢測過流??? （b）用電流互感器檢測過流

（c）由V_CE(sat)檢測過流??? （d）通過負載電流檢測過流

圖5??? 集電極過流保護電路

2．4??? 過熱保護

??? 一般情況下流過IGBT的電流較大，開關頻率較高，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，使得器件的結溫T_j超過T_jmax，則IGBT可能損壞。

??? IGBT的功耗包括穩態功耗和動態動耗，其動態功耗又包括開通功耗和關斷功耗。在進行熱設計時，不僅要保證其在正常工作時能夠充分散熱，而且還要保證其在發生短時過載時，IGBT的結溫也不超過T_jmax。

??? 當然，受設備的體積和重量等的限制以及性價比的考慮，散熱系統也不可能無限制地擴大。可在靠近IGBT處加裝一溫度繼電器等，檢測IGBT的工作溫度。控制執行機構在發生異常時切斷IGBT的輸入，保護其安全。

??? 除此之外，將IGBT往散熱器上安裝固定時應注意以下事項：

??? ——由于熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同，因此，若在散熱器上僅安裝一個IGBT時，應將其安裝在正中間，以便使得熱阻最小；當要安裝幾個IGBT時，應根據每個IGBT的發熱情況留出相應的空間；

??? ——使用帶紋路的散熱器時，應將IGBT較寬的方向順著散熱器的紋路，以減少散熱器的變形；

??? ——散熱器的安裝表面光潔度應≤10μm，如果散熱器的表面不平，將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻，甚至在IGBT的管芯和管殼之間的襯底上產生很大的張力，損壞IGBT的絕緣層；

??? ——為了減少接觸熱阻，最好在散熱器與

??? IGBT模塊間涂抹導熱硅脂。

3??? 結語

??? 在應用IGBT時應根據實際情況，采取相應的保護措施。只要在過壓、過流、過熱等幾個方面都采取有效的保護措施后，在實際應用中均能夠取得良好的效果，保證IGBT安全可靠地工作。