IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)

摘要：通過對(duì)IGBT損壞機(jī)理的分析，根據(jù)其損壞的原因，采取相應(yīng)措施對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，以保證其安全可靠工作。

關(guān)鍵詞：IGBT；MOSFET；驅(qū)動(dòng)；過壓；浪涌；緩沖；過流；過熱；保護(hù)

0 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(dá)林頓管。它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單和快速的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件容量大的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高、容量較大的特點(diǎn)，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(jí)，由于受電網(wǎng)波動(dòng)、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(shí)除了要作降額考慮外，對(duì)IGBT的保護(hù)設(shè)計(jì)也是電源設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)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(dòng)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。

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(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(dòng)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(huì)永久性損壞。

2保護(hù)措施

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)影響IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2．1 IGBT柵極的保護(hù)

IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)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(huì)損壞IGBT，因此，在IGBT的驅(qū)動(dòng)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(shí)若集電極和發(fā)射極間處于高壓狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)使IGBT發(fā)熱甚至損壞。如果設(shè)備在運(yùn)輸或振動(dòng)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(huì)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。

圖2 柵極保護(hù)電路

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(hù)之外，就像其他MOS結(jié)構(gòu)器件一樣，IGBT對(duì)于靜電壓也是十分敏感的，故而對(duì)IGBT進(jìn)行裝配焊接作業(yè)時(shí)也必須注意以下事項(xiàng)：

——在需要用手接觸IGBT前，應(yīng)先將人體上的靜電放電后再進(jìn)行操作，并盡量不要接觸模塊的驅(qū)動(dòng)端子部分，必須接觸時(shí)要保證此時(shí)人體上所帶的靜電已全部放掉；

——在焊接作業(yè)時(shí)，為了防止靜電可能損壞IGBT，焊機(jī)一定要可靠地接地。

2．2 集電極與發(fā)射極間的過壓保護(hù)

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(jí)輸入發(fā)生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時(shí)，進(jìn)行降額設(shè)計(jì)；另外，可在檢測(cè)出這一過壓時(shí)分?jǐn)郔GBT的輸入，保證IGBT的安全。

2.2.2 浪涌電壓的保護(hù)

因?yàn)殡娐分蟹植茧姼械拇嬖?，加之IGBT的開關(guān)速度較高，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)及與之并接的反向恢復(fù)二極管逆向恢復(fù)時(shí)，就會(huì)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3 IGBT的浪涌電壓波形