IGBT的保護(hù)

　　將IGBT用于變換器時(shí)，應(yīng)采取保護(hù)措施以防損壞器件，常用的保護(hù)措施有：

　?。?） 通過(guò)檢出的過(guò)電流信號(hào)切斷門(mén)極控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)；

　?。?） 利用緩沖電路抑制過(guò)電壓并限制du/dt；

　?。?） 利用溫度傳感器檢測(cè)IGBT的殼溫，當(dāng)超過(guò)允許溫度時(shí)主電路跳閘，實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)。

　　下面著重討論因短路而產(chǎn)生的過(guò)電流及其保護(hù)措施。

　　前已述及，IGBT由于寄生晶閘管的影響，當(dāng)流過(guò)IGBT的電流過(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不可控的擎住效應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)使IGBT的漏極電流不超過(guò)額定電流，以避免出現(xiàn)擎住現(xiàn)象。一旦主電路發(fā)生短路事故，IGBT由飽和導(dǎo)通區(qū)進(jìn)入放大區(qū)，集電極電流I_C并未大幅度增加，但此時(shí)漏極電壓很高，IGBT的功耗很大。短路電流能持續(xù)的時(shí)間t則由漏極功耗所決定。這段時(shí)間與漏極電源電壓U_DD、門(mén)極電壓U_GS及結(jié)溫T_j密切相關(guān)。圖1給出了允許短路時(shí)間t和電源電壓U_DD的關(guān)系曲線。圖1(a)中示出了測(cè)試電路和U_GS、i_D的波形，測(cè)試條件為：受試元件為50A/1000V的IGBT，R_G為24Ω，T_j為25℃，U_GS為15V。圖1(b)為允許短路時(shí)間與電源電壓的關(guān)系曲線，由圖可知，隨著電源電壓的增加，允許短路過(guò)電流時(shí)間t減小。在負(fù)載短路過(guò)程中，漏極電流i_D也隨門(mén)極電壓+U_GS的增加而增加，并使IGBT允許的短路時(shí)間縮短。由于允許的短路時(shí)間隨門(mén)極電壓的增加而減小。所以，在有短路過(guò)程的設(shè)備中，IGBT的+U_GS應(yīng)選用所必須的最小值。必須指出，在允許的短路時(shí)間內(nèi)，IGBT工作在放大區(qū)，漏極電流波形與門(mén)極輸入電壓波形很相似。

　　對(duì)IGBT的過(guò)電流保護(hù)可采用集射極電壓識(shí)別的方法，在正常工作時(shí)，IGBT的通態(tài)飽和電壓降U_on與集電極電流i_C呈近似線性變化的關(guān)系，識(shí)別U_on的大小即可判斷IGBT集電極電流的大小。IGBT的結(jié)溫升高后，在大電流情況下通態(tài)飽和壓降增加，這種特性有利于過(guò)電流識(shí)別保護(hù)。圖2為過(guò)電流保護(hù)電路，由圖可知，集電極電壓與門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)相“與”后輸出過(guò)電流信號(hào)，將此過(guò)電流信號(hào)反饋至主控電路切斷門(mén)極信號(hào)，以保護(hù)IGBT不受損壞。具體應(yīng)用中尚須注意以下兩個(gè)問(wèn)題。

　?。?） 識(shí)別時(shí)間。從識(shí)別出過(guò)電流信號(hào)至切斷門(mén)極信號(hào)的這段時(shí)間必須小于IGBT允許短路過(guò)電流的時(shí)間。前已述及，IGBT對(duì)短路電流的承受能力與其飽和管壓降的大小和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓U_GS的大小有很大關(guān)系。飽和壓降越大，短路承受能力越強(qiáng)；U_GS越小，短路承受能力也越強(qiáng)。對(duì)于飽和壓降為2~3V的IGBT，當(dāng)U_GS=15V時(shí)，其短路承受能力僅為5μs。為了有效保護(hù)IGBT，保護(hù)電路必須在2μs內(nèi)動(dòng)作，這樣短的反應(yīng)時(shí)間往往使用保護(hù)電路很難區(qū)分究竟是真短路還是“假短路”（例如續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)程，其時(shí)間就在1~2μs之間），這就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)不利的影響。為此不僅應(yīng)采取快速光耦合器件VL及快速傳送電路，而且有必要利用降低門(mén)極電壓增加IGBT承受短路的能力這一特性。當(dāng)U_GS由15V降至10V時(shí)，其短路承受能力則由5μs增至15μs。這樣，保護(hù)電路動(dòng)作就可以延長(zhǎng)10μs。這時(shí)如果短路仍存在，則認(rèn)為是真短路，完全關(guān)斷IGBT；如果短路消失，就是“假短路”，就把U_GS由10V恢復(fù)到正常值15V，從而既可有效保護(hù)IGBT，又不誤動(dòng)作。{{分頁(yè)}}

　?。?） 保護(hù)時(shí)的關(guān)斷速度問(wèn)題。由于IGBT過(guò)流時(shí)電流幅值很大，加之IGBT關(guān)斷速度很快，如果按正常時(shí)的關(guān)斷速度，就會(huì)造成Ldi/dt過(guò)大，形成很高的尖峰電壓，極易損壞IGBT和設(shè)備中的其他元器件；因此有必要讓IGBT在允許的短路時(shí)間內(nèi)采取措施使IGBT進(jìn)行“慢速關(guān)斷”。當(dāng)檢測(cè)到真短路時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路在關(guān)斷IGBT時(shí)，必須讓門(mén)極電壓較慢地由15V下降，其原理如圖3(a)所示，圖中T₃平時(shí)是導(dǎo)通的，電阻R₁不被引入；一旦需要慢速切斷，則T₃管截止，IGBT輸入電容通過(guò)R_G、R₁放電，時(shí)間常數(shù)加大，放電速度降低。圖3(b)為常態(tài)快速切斷與過(guò)電流慢速切斷兩種情況下的漏極電流波形變化示意圖。

　　20世紀(jì)80年代末，IGBT開(kāi)始向智能功率模塊發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展到第三代。各代的內(nèi)置功能如下。

　　第一代包括：①連接功率器件和控制電壓的接口電路；②過(guò)電流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路。

　　第二代包括：①第一代的內(nèi)置功能；②上、下支路的信號(hào)分配電路（防上、下支路間短路）；③電路用電源。

　　第三代包括：①第二代的內(nèi)置功能；②PWM控制電路；③過(guò)載變換（負(fù)載和模塊自身保護(hù)電路）；④過(guò)電壓保護(hù)電路（直流電壓異常增加時(shí)，模塊本身的保護(hù)電路）。

　　由此可見(jiàn)，第三代IGBT智能功率模塊具有逆變器的基本功能，使應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)化，裝置的零部件大為減少，可靠性得以提高。