IGBT應(yīng)用設(shè)計(jì)全面剖析

如何做好IGBT的保護(hù)

　　眾所周知，IGBT是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會(huì)使它損壞。為此，必須對(duì)IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。一般我們從過流、過壓、過熱三方面進(jìn)行IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

　　IGBT承受過電流的時(shí)間僅為幾微秒，耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護(hù)。那么該如何根據(jù)IGBT的驅(qū)動(dòng)要求設(shè)計(jì)過流保護(hù)呢?

　　IGBT的過流保護(hù)可分為兩種情況：(1) 驅(qū)動(dòng)電路中無保護(hù)功能;(2) 驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)有保護(hù)功能。對(duì)于第一種情況，我們可以在主電路中要設(shè)置過流檢測器件;針對(duì)第二種情況，由于不同型號(hào)的混合驅(qū)動(dòng)模塊，其輸出能力、開關(guān)速度與du/dt的承受能力不同，使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)選用。對(duì)于大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護(hù)則可以通過封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者減小柵壓來進(jìn)行保護(hù)。

　　過壓保護(hù)則可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

　　●盡可能減少電路中的雜散電感。

　　●采用吸收回路。吸收回路的作用是;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過電壓。

　　●適當(dāng)增大柵極電阻Rg。

　　IGBT的過熱保護(hù)一般是采用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器)，并可進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。

　　傳統(tǒng)與新型IGBT保護(hù)模式對(duì)比

　　在傳統(tǒng)的使用和設(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。那么該如何突破傳統(tǒng)的IGBT系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)來解決上述問題呢?

　　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(gè)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)間和耐 電流能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，從而導(dǎo)致IGBT過熱而損壞。

　　傳統(tǒng)保護(hù)模式和新型保護(hù)模式電路對(duì)比

　　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(dòng)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(jí))，通流能力遠(yuǎn)超穩(wěn)壓二極管(可達(dá)上千安培)，同時(shí)，TVS對(duì)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(xiǎn)絲。它既具有電阻的效果，又對(duì)溫度比較敏感。當(dāng)內(nèi)部電流增加時(shí)，其阻抗也在增加，從而對(duì)過流具有非常好的抑制效果。

　　IGBT的應(yīng)用及設(shè)計(jì)

　　作為電力電子重要大功率主流器件之一，IGBT已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家用電器、交通運(yùn)輸、電力工程、可再生能源和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用方面，如交通控制、功率變換、工業(yè)電機(jī)、不間斷電源、風(fēng)電與太陽能設(shè)備，以及用于自動(dòng)控制的變頻器。在消費(fèi)電子方面，IGBT用于家用電器、相機(jī)和手機(jī)。小編也搜集了幾篇關(guān)于IGBT設(shè)計(jì)的文章，供大家參考：如何設(shè)計(jì)精簡、低成本的保護(hù)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器中的IGBT、如何能提高輸出功率密度的短路額定IGBT、如何用IGBT實(shí)現(xiàn)高壓大功率變頻器、基于IGBT的高能效電源設(shè)計(jì)、大功率開關(guān)電源IGBT短路保護(hù)的三種設(shè)計(jì)方法。

　　IGBT產(chǎn)品市場現(xiàn)狀分析

　　國內(nèi)市場需求急劇上升曾使得IGBT市場一度被看好。雖然長期來看，IGBT是一個(gè)值得期待的市場，可是到目前為止IGBT的核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)為大多數(shù)歐美IDM半導(dǎo)體廠商所掌控，本土廠商想要打破國外企業(yè)對(duì)國內(nèi)IGBT市場壟斷，還需要很多努力。并且隨著各國政府都將削減可再生能源及交通等領(lǐng)域的支出，IGBT市場能否再度增長?根據(jù)最新的調(diào)查報(bào)告顯示，各種IGBT器件和模塊的銷售額在2013年將有一定程度的復(fù)蘇，2014年稍稍減速，待經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇并穩(wěn)定后，從2015年開始將穩(wěn)定增長。雖然2013年IGBT市場增長趨勢有所下降，但隨著國內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步，其發(fā)展前景還是十分被看好的。因此才會(huì)有許多廠商紛紛推出IGBT產(chǎn)品：東芝公司推出了應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)閃光燈的分立式IGBT，切換時(shí)間縮短2/3;IR擴(kuò)充堅(jiān)固可靠的600V溝道超高速IGBT系列;英飛凌擴(kuò)展第三代逆導(dǎo)IGBT產(chǎn)品組合;飛兆用于高功率感應(yīng)加熱應(yīng)用的陽極短路型IGBT;安森美9款高能效溝槽型場截止IGBT。