新型IGBT系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)的解決方案

IGBT絕緣柵雙極型晶體管是一種典型的雙極MOS復(fù)合型功率器件。它結(jié)合功率MOSFET的工藝技術(shù)，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一個芯片中。該器件具有開關(guān)頻率高、輸入阻抗較大、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動電路簡單、低飽和電壓及大電流等特性，被作為功率器件廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力電子系統(tǒng)等領(lǐng)域（例如：伺服電機(jī)的調(diào)速、變頻電源）。為使我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠更安全、更可靠的工作，對IGBT的保護(hù)顯得尤為重要。

目前，在使用和設(shè)計(jì)IGBT的過程中，基本上都是采用粗放式的設(shè)計(jì)模式——所需余量較大，系統(tǒng)龐大，但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統(tǒng)引起的各種失效問題。瞬雷電子公司利用在半導(dǎo)體領(lǐng)域的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)優(yōu)勢，結(jié)合瞬態(tài)抑制二極管的特點(diǎn)，在研究IGBT失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過整合系統(tǒng)內(nèi)外部來突破設(shè)計(jì)瓶頸。本文將突破傳統(tǒng)的保護(hù)方式，探討IGBT系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)的解決方案。

IGBT失效場合：來自系統(tǒng)內(nèi)部，如電力系統(tǒng)分布的雜散電感、電機(jī)感應(yīng)電動勢、負(fù)載突變都會引起過電壓和過電流；來自系統(tǒng)外部，如電網(wǎng)波動、電力線感應(yīng)、浪涌等。歸根結(jié)底，IGBT失效主要是由集電極和發(fā)射極的過壓/過流和柵極的過壓/過流引起。

IGBT失效機(jī)理：IGBT由于上述原因發(fā)生短路，將產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流——在關(guān)斷時電流變化率di/dt過大。漏感及引線電感的存在，將導(dǎo)致IGBT集電極過電壓，而在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)，使IGBT鎖定失效。同時，較高的過電壓會使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進(jìn)入放大區(qū)， 使管子開關(guān)損耗增大。

IGBT傳統(tǒng)防失效機(jī)理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來減小關(guān)斷過電壓；在集電極和發(fā)射極之間，放置續(xù)流二極管，并接RC電路和RCD電路等；在柵極，根據(jù)電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩(wěn)壓二極管防止柵極過電壓。

IGBT失效防護(hù)

1. 集電極過電壓、過電流防護(hù)，以IGBT變頻調(diào)速電源主電路為例（圖1）。

圖1：傳統(tǒng)保護(hù)模式。

在集電極和發(fā)射極之間并接RC濾波電路，可有效地抑制關(guān)斷過電壓和開關(guān)損耗。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于DC電源前端的浪涌突波會使集電極過電壓，并使RC濾波電路部分的抑制效果生效，IGBT通常都會被擊穿或者短路。另外，在電機(jī)起動時，由于起動時的大電流，在主線路中分布的電感亦會造成較大程度的感應(yīng)過電壓，使IGBT損壞。同時，電機(jī)勵磁造成的感應(yīng)電動勢，對電路的破壞也相當(dāng)?shù)卮?mdash;—工程師們經(jīng)常沒有考慮到這一點(diǎn)。

針對上述情況，浪涌突波部分可以用防雷電路進(jìn)行防護(hù)（圖2）。瞬雷電子開發(fā)的藍(lán)寶寶浪涌抑制器（BPSS），在雷擊方面既具有極大的過電流能力，又具有極低的殘壓。同時，針對電機(jī)部分，參照ISO7637的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該產(chǎn)品完全可以使用。而使用其他器件則不能同時達(dá)到上述兩種情況。具體問題有：壓敏電阻在ISO7637的長波（P5A）中容易失效，并且不宜長期使用；陶瓷放電管不能直接用于有源電路中，常因續(xù)流問題導(dǎo)致電路短路，并且抑制電壓過高。

圖2：新型防護(hù)模式。

2.柵極過電壓、過電流防護(hù)

傳統(tǒng)保護(hù)模式：防護(hù)方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設(shè)置一些保護(hù)元件，如下圖的電阻RGE的作用，是使柵極積累電荷泄放（其阻值可取5kΩ）；兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1和V2，是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。另外，還有實(shí)現(xiàn)控制電路部分與被驅(qū)動的IGBT之間的隔離設(shè)計(jì)，以及設(shè)計(jì)適合柵極的驅(qū)動脈沖電路等。然而即使這樣，在實(shí)際使用的工業(yè)環(huán)境中，以上方案仍然具有比較高的產(chǎn)品失效率——有時甚至?xí)?%。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究表明：這和瞬態(tài)浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關(guān)系，而穩(wěn)壓管在此的響應(yīng)時間和耐電流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，從而導(dǎo)致IGBT過熱而損壞。

新型保護(hù)模式：將傳統(tǒng)的穩(wěn)壓管改為新型的瞬態(tài)抑制二極管（TVS）。一般柵極驅(qū)動電壓約為15V，可以選型SMBJ15CA。該產(chǎn)品可以通過IEC61000-4-5浪涌測試10/700US 6kV。

TVS反應(yīng)速度極快（達(dá)PS級），通流能力遠(yuǎn)超穩(wěn)壓二極管（可達(dá)上千安培），同時，TVS對靜電具有非常好的抑制效果。該產(chǎn)品可以通過 IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測試。

將傳統(tǒng)電阻RG變更為正溫度系數(shù)（PPTC）保險絲。它既具有電阻的效果，又對溫度比較敏感。當(dāng)內(nèi)部電流增加時，其阻抗也在增加，從而對過流具有非常好的抑制效果。

圖3：傳統(tǒng)保護(hù)模式和新型保護(hù)模式電路對比。