簡述IGBT保護電路設計中必知問題

3 過壓保護

現(xiàn)代電力變換裝置均采用大功率半導體開關器件，其所能承受的電流過載能力相對于旋轉變流裝置要低得多，如IGBT一般只能承受幾十個μs甚至幾個μs的過載電流，一旦短路發(fā)生就要求保護電路能在盡可能短的時間內關斷開關器件，切斷短路電流，使開關器件不致于因過流而損壞。但是，在短路情況下迅速關斷開關器件，將導致負載電流下降過快而產生過大的di/dt,由于引線電感和漏感的存在，過大的di/dt將產生很高的過電壓，而使開關器件面臨過壓擊穿的危險。對于IGBT,過高的電壓又可能導致器件內部產生擎住效應失控而損壞器件。因此，必須綜合考慮和設計電力變換裝置短路保護，以確保電流保護的有效性。

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(xiàn)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

4 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。