IGBT的保护设计

摘要：通过对IGBT损坏机理的分析，根据其损坏的原因，采取相应措施对其进行保护，以保证其安全可靠工作。

关键词：IGBT；MOSFET；驱动；过压；浪涌；缓冲；过流；过热；保护

0    引言

    绝缘栅双极型晶体管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，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。

    在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。

1    IGBT的工作原理

    IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知，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MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

图1    IGBT的等效电路

    由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：

    ——IGBT栅极与发射极之间的电压；

    ——IGBT集电极与发射极之间的电压；

    ——流过IGBT集电极－发射极的电流；

    ——IGBT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－发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

2保护措施

    在进行电路设计时，应针对影响IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相应的保护措施。

2．1    IGBT栅极的保护

    IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V，如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下给主电路加上电压，则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极。如图2所示。

图2    栅极保护电路

    由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体，特别是其栅极为MOS结构，因此除了上述应有的保护之外，就像其他MOS结构器件一样，IGBT对于静电压也是十分敏感的，故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：

    ——在需要用手接触IGBT前，应先将人体上的静电放电后再进行操作，并尽量不要接触模块的驱动端子部分，必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉；

    ——在焊接作业时，为了防止静电可能损坏IGBT，焊机一定要可靠地接地。

2．2    集电极与发射极间的过压保护

    过电压的产生主要有两种情况，一种是施加到IGBT集电极－发射极间的直流电压过高，另一种为集电极－发射极上的浪涌电压过高。

2.2.1    直流过电压

    直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT时，进行降额设计；另外，可在检测出这一过压时分断IGBT的输入，保证IGBT的安全。

2.2.2    浪涌电压的保护

    因为电路中分布电感的存在，加之IGBT的开关速度较高，当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt，威胁IGBT的安全。

    通常IGBT的浪涌电压波形如图3所示。

图3    IGBT的浪涌电压波形 [!--empirenews.page--]

图中：v_CE为IGBT集电极－发射极间的电压波形；

      i_c为IGBT的集电极电流；

      U_d为输入IGBT的直流电压；

      V_CESP=U_d＋Ldi_c/dt,为浪涌电压峰值。

    如果V_CESP超出IGBT的集电极－发射极间耐压值V_CES，就可能损坏IGBT。解决的办法主要有：

    ——在选取IGBT时考虑设计裕量；

    ——在电路设计时调整IGBT驱动电路的R_g，使di/dt尽可能小；

    ——尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感；

    ——根据情况加装缓冲保护电路，旁路高频浪涌电压。

    由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用，在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。

    ——C缓冲电路    如图4(a)所示，采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单，其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电压振荡，而且IGBT开通时集电极电流较大。

    ——RC缓冲电路    如图4(b)所示，其特点是适合于斩波电路，但在使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻值增大，否则，开通时集电极电流过大，使IGBT功能受到一定限制。

    ——RCD缓冲电路    如图4(c)所示，与RC缓冲电路相比其特点是，增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。

（a）C缓冲电路    （b）RC缓冲电路

（c）RCD缓冲电路    （d）放电阻止型缓冲电路

图4    缓冲保护电路

    该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为

    P=LI²f＋CU_d²f

式中：L为主电路中的分布电感；

      I为IGBT关断时的集电极电流；

      f为IGBT的开关频率；

      C为缓冲电容；

      U_d为直流电压值。

    ——放电阻止型缓冲电路如图4(d)所示，与RCD缓冲电路相比其特点是，产生的损耗小，适合于高频开关。

    在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为

    P=LI²f

    根据实际情况选取适当的缓冲保护电路，抑制关断浪涌电压。在进行装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好。

2．3    集电极电流过流保护

    对IGBT的过流保护，主要有3种方法。 [!--empirenews.page--]

2.3.1    用电阻或电流互感器检测过流进行保护

    如图5（a）及图5（b）所示，可以用电阻或电流互感器与IGBT串联，检测流过IGBT集电极的电流。当有过流情况发生时，控制执行机构断开IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。

2.3.2    由IGBT的V_CE(sat)检测过流进行保护

    如图5（c）所示，因V_CE(sat)=I_cR_CE(sat)，当I_c增大时，V_CE(sat)也随之增大，若栅极电压为高电平，而V_CE为高，则此时就有过流情况发生，此时与门输出高电平，将过流信号输出，控制执行机构断开IGBT的输入，保护IGBT。

2.3.3    检测负载电流进行保护

    此方法与图5（a）中的检测方法基本相同，但图5（a）属直接法，此属间接法，如图5（d）所示。若负载短路或负载电流加大时，也可能使前级的IGBT的集电极电流增大，导致IGBT损坏。由负载处（或IGBT的后一级电路）检测到异常后，控制执行机构切断IGBT的输入，达到保护的目的。

（a）用电阻检测过流    （b）用电流互感器检测过流

（c）由V_CE(sat)检测过流    （d）通过负载电流检测过流

图5    集电极过流保护电路

2．4    过热保护

    一般情况下流过IGBT的电流较大，开关频率较高，故而器件的损耗也比较大，如果热量不能及时散掉，使得器件的结温T_j超过T_jmax，则IGBT可能损坏。

    IGBT的功耗包括稳态功耗和动态动耗，其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。在进行热设计时，不仅要保证其在正常工作时能够充分散热，而且还要保证其在发生短时过载时，IGBT的结温也不超过T_jmax。

    当然，受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑，散热系统也不可能无限制地扩大。可在靠近IGBT处加装一温度继电器等，检测IGBT的工作温度。控制执行机构在发生异常时切断IGBT的输入，保护其安全。

    除此之外，将IGBT往散热器上安装固定时应注意以下事项：

    ——由于热阻随IGBT安装位置的不同而不同，因此，若在散热器上仅安装一个IGBT时，应将其安装在正中间，以便使得热阻最小；当要安装几个IGBT时，应根据每个IGBT的发热情况留出相应的空间；

    ——使用带纹路的散热器时，应将IGBT较宽的方向顺着散热器的纹路，以减少散热器的变形；

    ——散热器的安装表面光洁度应≤10μm，如果散热器的表面不平，将大大增加散热器与器件的接触热阻，甚至在IGBT的管芯和管壳之间的衬底上产生很大的张力，损坏IGBT的绝缘层；

    ——为了减少接触热阻，最好在散热器与

    IGBT模块间涂抹导热硅脂。

3    结语

    在应用IGBT时应根据实际情况，采取相应的保护措施。只要在过压、过流、过热等几个方面都采取有效的保护措施后，在实际应用中均能够取得良好的效果，保证IGBT安全可靠地工作。