如何進(jìn)行IGBT保護電路設計

IGBT在由導通狀態(tài)關(guān)斷時(shí)，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(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓uce=L dic/dt，加之IGBT的耐過(guò)壓能力較差，這樣就會(huì )使IGBT擊穿，因此，其過(guò)壓保護也是十分重要的。過(guò)壓保護可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，要優(yōu)化主電路結構（采用分層布線(xiàn)、盡量縮短聯(lián)接線(xiàn)等），減少雜散電感。另外，在整個(gè)線(xiàn)路上多加一些低阻低感的退耦電容，進(jìn)一步減少線(xiàn)路電感。所有這些，對于直接減少I(mǎi)GBT的關(guān)斷過(guò)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(guān)斷時(shí)，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過(guò)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(shí)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(guò)大會(huì )受到放電時(shí)間的限制。電阻R選用氧化膜無(wú)感電阻，其阻值的確定要滿(mǎn)足放電時(shí)間明顯小于主電路開(kāi)關(guān)周期的要求，可按R≤T/6C計算，T為主電路的開(kāi)關(guān)周期。二極管V應選用正向過(guò)渡電壓低、逆向恢復時(shí)間短的軟特性緩沖二極管。

（3）適當增大柵極電阻Rg。實(shí)踐證明，Rg增大，使IGBT的開(kāi)關(guān)速度減慢，能明顯減少開(kāi)關(guān)過(guò)電壓尖峰，但相應的增加了開(kāi)關(guān)損耗，使IGBT發(fā)熱增多，要配合進(jìn)行過(guò)熱保護。Rg阻值的選擇原則是：在開(kāi)關(guān)損耗不太大的情況下，盡可能選用較大的電阻，實(shí)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(guò)電壓之外，為防止柵極電荷積累、柵源電壓出現尖峰損壞 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(gè)反向串聯(lián)的穩壓二極管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

過(guò)熱保護

IGBT 的損耗功率主要包括開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗，前者隨開(kāi)關(guān)頻率的增高而增大，占整個(gè)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(shí)），加之IGBT的結溫不能超過(guò)125℃，不宜長(cháng)期工作在較高溫度下，因此要采取恰當的散熱措施進(jìn)行過(guò)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(jìn)行強迫風(fēng)冷。散熱器的結構設計應滿(mǎn)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(wǎng)

　　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(shí)際工作中，我們采用普通散熱器與強迫風(fēng)冷相結合的措施，并在散熱器上安裝溫度開(kāi)關(guān)。當溫度達到75℃～80℃時(shí)，通過(guò) SG3525的關(guān)閉信號停止PMW 發(fā)送控制信號，從而使驅動(dòng)器封鎖IGBT的開(kāi)關(guān)輸出，并予以關(guān)斷保護。