IGBT保護電路設計中的必知問題

引言

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大;MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。IGBT模塊由于具有多種優(yōu)良的特性，使它得到了快速的發(fā)展和普及，已應用到電力電子的各方各面。因此熟悉IGBT模塊性能，了解選擇及使用時的注意事項對實際中的應用是十分必要的。本文從實際應用出發(fā)，總結出了過流、過壓與過熱保護的相關問題和各種保護方法，實用性強，應用效果好。

過流保護

過流保護用PTC熱敏電阻通過其阻值突變限制整個線路中的消耗來減少殘余電流值。可取代傳統(tǒng)的保險絲，廣泛用于馬達、變壓器、開關電源、電子線路等的過流過熱保護，傳統(tǒng)的保險絲在線路熔斷后無法自行恢復， 而過流保護用PTC熱敏電阻在故障撤除后即可恢復到預保護狀態(tài)，當再次出現(xiàn)故障時又可以實現(xiàn)其過流過熱保護功能。

對IGBT的過流檢測保護分兩種情況：

主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進行放大的中間電路(即放大控制電路的信號使其能夠驅動功率晶體管)，稱為驅動電路。安規(guī)問題，驅動電路副邊與主電路有耦合關系，而驅動原邊是與控制電路連在一起， 主電路是一次電路，控制電流是ELV電路， 一次電路和ELV電路時間要做基本絕緣，實現(xiàn)絕緣要求一般就采取變壓器光耦等隔離措施。

圖1

(1)驅動電路中無保護功能。這時在主電路中要設置過流檢測器件。對于小容量變頻器，一般是把電阻R直接串接在主電路中，如圖1(a)所示，通過電阻兩端的電壓來反映電流的大小;對于大中容量變頻器，因電流大，需用電流互感器TA(如霍爾傳感器等)。電流互感器所接位置：一是像串電阻那樣串接在主回路中，如圖1(a)中的虛線所示;二是串接在每個IGBT上，如圖1(b)所示。前者只用一個電流互感器檢測流過IGBT的總電流，經濟簡單，但檢測精度較差;后者直接反映每個IGBT的電流，測量精度高，但需6個電流互感器。過電流檢測出來的電流信號，經光耦管向控制電路輸出封鎖信號，從而關斷IGBT 的觸發(fā)，實現(xiàn)過流保護。

(2)驅動電路中設有保護功能。如日本英達公司的HR065、富士電機的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，是集驅動與保護功能于一體的集成電路(稱為混合驅動模塊)，其電流檢測是利用在某一正向柵壓Uge下，正向導通管壓降Uce(ON)與集電極電流Ie成正比的特性，通過檢測 Uce(ON)的大小來判斷Ie的大小，產品的可靠性高。不同型號的混合驅動模塊，其輸出能力、開關速度與du/dt的承受能力不同，使用時要根據(jù)實際情況恰當選用。

由于混合驅動模塊本身的過流保護臨界電壓動作值是固定的(一般為7～10V)，因而存在著一個與IGBT配合的問題。通常采用的方法是調整串聯(lián)在 IGBT集電極與驅動模塊之間的二極管V的個數(shù)，如圖2(a)所示，使這些二極管的通態(tài)壓降之和等于或略大于驅動模塊過流保護動作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce(ON)之差。

圖2

上述用改變二極管的個數(shù)來調整過流保護動作點的方法，雖然簡單實用，但精度不高。這是因為每個二極管的通態(tài)壓降為固定值，使得驅動模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調。在實際工作中，改進方法有兩種：

(1)改變二極管的型號與個數(shù)相結合。例如，IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V，驅動模塊過流保護臨界動作電壓值為7.84V時，那么整個二極管上的通態(tài)壓降之和應為7.84-2.65=5.19V，此時選用7個硅二極管與1個鍺二極管串聯(lián)，其通態(tài)壓降之和為 0.7×7+0.3×1=5.20V(硅管視為0.7V，鍺管視為0.3V)，則能較好地實現(xiàn)配合(2)二極管與電阻相結合。由于二極管通態(tài)壓降的差異性，上述改進方法很難精確設定IGBT過流保護的臨界動作電壓值 如果用電阻取代1～2個二極管，如圖2(b)，則可做到精確配合。

圖3

另外，由于同一橋臂上的兩個IGBT的控制信號重疊或開關器件本身延時過長等原因，使上下兩個IGBT直通，橋臂短路，此時電流的上升率和浪涌沖擊電流都很大，極易損壞IGBT 為此，還可以設置橋臂互鎖保護，如圖3所示。圖中用兩個與門對同一橋臂上的兩個IGBT的驅動信號進行互鎖，使每個IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個 IGBT驅動信號可否通過的制約條件，只有在一個IGBT被確認關斷后，另一個IGBT才能導通，這樣嚴格防止了臂橋短路引起過流情況的出現(xiàn)。

過壓保護

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。

圖4

(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5

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。

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?shù)纳岽胧┻M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

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。