中心議題：
- IGBT保護電路設計必備知識
解決方案：
- 過流保護
- 過壓保護
- 過熱保護
本文論述了IGBT的過流保護、過壓保護與過熱保護相關問題，并從實際應用中總結出各種保護方法，這些方法實用性強，保護效果好，是IGBT保護電路設計必備知識。
IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點，因而廣泛應用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現意外就會使它損壞。為此，必須但對IGBT進行相關保護。
過流保護
生產廠家對IGBT提供的安全工作區(qū)有嚴格的限制條件，且IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒（SCR、GTR等器件承受過流時間為幾十微秒），耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護。產生過流的原因大致有：晶體管或二極管損壞、控制與驅動電路故障或干擾等引起誤動、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路、輸出端對地短路與電機絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等。
對IGBT的過流檢測保護分兩種情況：
（1）驅動電路中無保護功能。這時在主電路中要設置過流檢測器件。對于小容量變頻器，一般是把電阻R直接串接在主電路中，如圖1（a）所示，通過電阻兩端的電壓來反映電流的大??；對于大中容量變頻器，因電流大，需用電流互感器TA（如霍爾傳感器等）。電流互感器所接位置：一是像串電阻那樣串接在主回路中，如圖1（a）中的虛線所示；二是串接在每個IGBT上，如圖1（b）所示。前者只用一個電流互感器檢測流過IGBT的總電流，經濟簡單，但檢測精度較差；后者直接反映每個IGBT的電流，測量精度高，但需6個電流互感器。過電流檢測出來的電流信號，經光耦管向控制電路輸出封鎖信號，從而關斷IGBT的觸發(fā)，實現過流保護。
圖1 IGBT的過流檢測
（2）驅動電路中設有保護功能。如日本英達公司的HR065、富士電機的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，是集驅動與保護功能于一體的集成電路（稱為混合驅動模塊），其電流檢測是利用在某一正向柵壓 Uge下，正向導通管壓降Uce（ON）與集電極電流Ie成正比的特性，通過檢測Uce（ON）的大小來判斷Ie的大小，產品的可靠性高。不同型號的混合驅動模塊，其輸出能力、開關速度與du/dt的承受能力不同，使用時要根據實際情況恰當選用。
由于混合驅動模塊本身的過流保護臨界電壓動作值是固定的（一般為7～10V），因而存在著一個與IGBT配合的問題。通常采用的方法是調整串聯(lián)在 IGBT集電極與驅動模塊之間的二極管V的個數，如圖2（a）所示，使這些二極管的通態(tài)壓降之和等于或略大于驅動模塊過流保護動作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce（ON）之差。
圖2 混合驅動模塊與IGBT過流保護的配合
上述用改變二極管的個數來調整過流保護動作點的方法，雖然簡單實用，但精度不高。這是因為每個二極管的通態(tài)壓降為固定值，使得驅動模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調。在實際工作中，改進方法有兩種：
（1）改變二極管的型號與個數相結合。例如，IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V，驅動模塊過流保護臨界動作電壓值為 7.84V時，那么整個二極管上的通態(tài)壓降之和應為7.84-2.65=5.19V，此時選用7個硅二極管與1個鍺二極管串聯(lián)，其通態(tài)壓降之和為 0.7×7+0.3×1=5.20V（硅管視為0.7V，鍺管視為0.3V），則能較好地實現配合（2）二極管與電阻相結合。由于二極管通態(tài)壓降的差異性，上述改進方法很難精確設定IGBT過流保護的臨界動作電壓值 如果用電阻取代1～2個二極管，如圖2（b），則可做到精確配合。
另外，由于同一橋臂上的兩個IGBT的控制信號重疊或開關器件本身延時過長等原因，使上下兩個IGBT直通，橋臂短路，此時電流的上升率和浪涌沖擊電流都很大，極易損壞IGBT 為此，還可以設置橋臂互鎖保護，如圖3所示。圖中用兩個與門對同一橋臂上的兩個IGBT的驅動信號進行互鎖，使每個IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個 IGBT驅動信號可否通過的制約條件，只有在一個IGBT被確認關斷后，另一個IGBT才能導通，這樣嚴格防止了臂橋短路引起過流情況的出現。[page]
圖3 IGBT橋臂直通短路保護
過壓保護
IGBT在由導通狀態(tài)關斷時，電流Ic突然變小，由于電路中的雜散電感與負載電感的作用，將在IGBT的c、e兩端產生很高的浪涌尖峰電壓uce=L dic/dt，加之IGBT的耐過壓能力較差，這樣就會使IGBT擊穿，因此，其過壓保護也是十分重要的。過壓保護可以從以下幾個方面進行：
（1）盡可能減少電路中的雜散電感。作為模塊設計制造者來說，要優(yōu)化模塊內部結構（如采用分層電路、縮小有效回路面積等），減少寄生電感；作為使用者來說，要優(yōu)化主電路結構（采用分層布線、盡量縮短聯(lián)接線等），減少雜散電感。另外，在整個線路上多加一些低阻低感的退耦電容，進一步減少線路電感。所有這些，對于直接減少IGBT的關斷過電壓均有較好的效果。
（2）采用吸收回路。吸收回路的作用是；當IGBT關斷時，吸收電感中釋放的能量，以降低關斷過電壓。常用的吸收回路有兩種，如圖4所示。其中（a）圖為充放電吸收回路，（b）圖為鉗位式吸收回路。對于電路中元件的選用，在實際工作中，電容c選用高頻低感圈繞聚乙烯或聚丙烯電容，也可選用陶瓷電容，容量為2 F左右。電容量選得大一些，對浪涌尖峰電壓的抑制好一些，但過大會受到放電時間的限制。電阻R選用氧化膜無感電阻，其阻值的確定要滿足放電時間明顯小于主電路開關周期的要求，可按R≤T/6C計算，T為主電路的開關周期。二極管V應選用正向過渡電壓低、逆向恢復時間短的軟特性緩沖二極管。
（3）適當增大柵極電阻Rg。實踐證明，Rg增大，使IGBT的開關速度減慢，能明顯減少開關過電壓尖峰，但相應的增加了開關損耗，使IGBT發(fā)熱增多，要配合進行過熱保護。Rg阻值的選擇原則是：在開關損耗不太大的情況下，盡可能選用較大的電阻，實際工作中按Rg=3000/Ic 選取。
圖4 吸收回路
除了上述減少c、e之間的過電壓之外，為防止柵極電荷積累、柵源電壓出現尖峰損壞 IGBT，可在g、e之間設置一些保護元件，電路如圖5所示。電阻R的作用是使柵極積累電荷泄放，其阻值可取4.7kΩ；兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1、 V2。是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。
圖5 防柵極電荷積累與柵源電壓尖峰的保護
過熱保護
IGBT 的損耗功率主要包括開關損耗和導通損耗，前者隨開關頻率的增高而增大，占整個損耗的主要部分；后者是IGBT控制的平均電流與電源電壓的乘積。由于IGBT是大功率半導體器件，損耗功率使其發(fā)熱較多（尤其是Rg選擇偏大時），加之IGBT的結溫不能超過125℃，不宜長期工作在較高溫度下，因此要采取恰當的散熱措施進行過熱保護。
散熱一般是采用散熱器（包括普通散熱器與熱管散熱器），并可進行強迫風冷。散熱器的結構設計應滿足：Tj=P△（Rjc+Rcs+Rsa）《Tjm 式中Tj－IGBT的工作結溫
P△－損耗功率
Rjc－結－殼熱阻vkZ電子資料網
Rcs－殼－散熱器熱阻
Rsa－散熱器－環(huán)境熱阻
Tjm－IGBT的最高結溫
在實際工作中，我們采用普通散熱器與強迫風冷相結合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關。當溫度達到75℃～80℃時，通過 SG3525的關閉信號停止PMW 發(fā)送控制信號，從而使驅動器封鎖IGBT的開關輸出，并予以關斷保護。
