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IGBT的保護
摘要：通過對IGBT損壞機理的分析，根據(jù)其損壞的原因，采取相應(yīng)措施對其進行保護，以保證其安全可靠工作。引言
絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)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(yōu)點，既具有MOSFET器件驅(qū)動簡單和快速的優(yōu)點，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點，因而，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
在中大功率的開關(guān)電源裝置中，IGBT由于其控制驅(qū)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(guān)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(tǒng)的前級，由于受電網(wǎng)波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應(yīng)力更大，故IGBT的可靠性直接關(guān)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(shè)計也是電源設(shè)計時需要重點考慮的一個環(huán)節(jié)。
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(fā)射極之間加上驅(qū)動正電壓，則MOSFET導(dǎo)通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通；若IGBT的柵極和發(fā)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。
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(fā)射極之間的電壓；
——IGBT集電極與發(fā)射極之間的電壓；
——流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流；
——IGBT的結(jié)溫。
如果IGBT柵極與發(fā)射極之間的電壓，即驅(qū)動電壓過低，則IGBT不能穩(wěn)定正常地工作，如果過高超過柵極－發(fā)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(fā)射極允許的電壓超過集電極－發(fā)射極之間的耐壓，流過IGBT集電極－發(fā)射極的電流超過集電極－發(fā)射極允許的最大電流，IGBT的結(jié)溫超過其結(jié)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(shè)計時，應(yīng)針對影響IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相應(yīng)的保護措施。
2．1 IGBT柵極的保護
IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動電壓VGE的保證值為±20V，如果在它的柵極與發(fā)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(qū)動電路中應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵壓限幅電路。另外，若IGBT的柵極與發(fā)射極間開路，而在其集電極與發(fā)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(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極－發(fā)射極有電流流過。這時若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時，可能會使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)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(fā)生，應(yīng)在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只幾十kΩ的電阻，此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)射極。如圖2所示。
由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復(fù)合體，特別是其柵極為MOS結(jié)構(gòu)，因此除了上述應(yīng)有的保護之外，就像其他MOS結(jié)構(gòu)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(yè)時也必須注意以下事項：
——在需要用手接觸IGBT前，應(yīng)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(qū)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(yè)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(fā)射極間的過壓保護
過電壓的產(chǎn)生主要有兩種情況，一種是施加到IGBT集電極－發(fā)射極間的直流電壓過高，另一種為集電極－發(fā)射極上的浪涌電壓過高。
2.2.1 直流過電壓
直流過壓產(chǎn)生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時，進行降額設(shè)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(guān)速度較高，當(dāng)IGBT關(guān)斷時及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時，就會產(chǎn)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。
圖中：vCE為IGBT?電極－發(fā)射極間的電壓波形；
ic為IGBT的集電極電流；
Ud為輸入IGBT的直流電壓；
VCESP=Ud＋Ldic/dt,為浪涌電壓峰值。
如果VCESP超出IGBT的集電極－發(fā)射極間耐壓值VCES，就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：
——在選取IGBT時考慮設(shè)計裕量；
——在電路設(shè)計時調(diào)整IGBT驅(qū)動電路的Rg，使di/dt盡可能�。�
——盡量將電解電容靠近IGBT安裝，以減小分布電感；
——根據(jù)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。
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