非傳統IGBT系統電路保護設計

IGBT絕緣柵雙極型晶體管是一種典型的雙極MOS復合型功率器件。它結合功率MOSFET的工藝技術(shù)，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一個(gè)芯片中。該器件具有開(kāi)關(guān)頻率高、輸入阻抗較大、熱穩定性好、驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、低飽和電壓及大電流等特性，被作為功率器件廣泛應用于工業(yè)控制、電力電子系統等領(lǐng)域(例如：伺服電機的調速、變頻電源)。為使我們設計的系統能夠更安全、更可靠的工作，對IGBT的保護顯得尤為重要。

　　IGBT失效機理：IGBT由于上述原因發(fā)生短路，將產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流——在關(guān)斷時(shí)電流變化率di/dt過(guò)大。漏感及引線(xiàn)電感的存在，將導致IGBT集電極過(guò)電壓，而在器件內部產(chǎn)生擎住效應，使IGBT鎖定失效。同時(shí)，較高的過(guò)電壓會(huì )使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進(jìn)入放大區，使管子開(kāi)關(guān)損耗增大。

　　IGBT失效場(chǎng)合：來(lái)自系統內部，如電力系統分布的雜散電感、電機感應電動(dòng)勢、負載突變都會(huì )引起過(guò)電壓和過(guò)電流;來(lái)自系統外部，如電網(wǎng)波動(dòng)、電力線(xiàn)感應、浪涌等。歸根結底，IGBT失效主要是由集電極和發(fā)射極的過(guò)壓/過(guò)流和柵極的過(guò)壓/過(guò)流引起。

　　IGBT傳統防失效機理：盡量減少主電路的布線(xiàn)電感量和電容量，以此來(lái)減小關(guān)斷過(guò)電壓;在集電極和發(fā)射極之間，放置續流二極管，并接RC電路和RCD電路等;在柵極，根據電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩壓二極管防止柵極過(guò)電壓。

　　IGBT失效防護

　　集電極過(guò)電壓、過(guò)電流防護，以IGBT變頻調速電源主電路為例(圖1)。

　　圖1：傳統保護模式

　　在集電極和發(fā)射極之間并接RC濾波電路，可有效地抑制關(guān)斷過(guò)電壓和開(kāi)關(guān)損耗。但在實(shí)際應用中，由于DC電源前端的浪涌突波會(huì )使集電極過(guò)電壓，并使RC濾 波電路部分的抑制效果生效，IGBT通常都會(huì )被擊穿或者短路。另外，在電機起動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)時(shí)的大電流，在主線(xiàn)路中分布的電感亦會(huì )造成較大程度的感應過(guò)電壓，使IGBT損壞。同時(shí)，電機勵磁造成的感應電動(dòng)勢，對電路的破壞也相當地大——工程師們經(jīng)常沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。

　　針對上述情況，浪涌 突波部分可以用防雷電路進(jìn)行防護(圖2)。瞬雷電子開(kāi)發(fā)的藍寶寶浪涌抑制器(BPSS)，在雷擊方面既具有極大的過(guò)電流能力，又具有極低的殘壓。同時(shí)，針 對電機部分，參照ISO7637的相關(guān)標準，該產(chǎn)品完全可以使用。而使用其他器件則不能同時(shí)達到上述兩種情況。具體問(wèn)題有：壓敏電阻在ISO7637的長(cháng) 波(P5A)中容易失效，并且不宜長(cháng)期使用;陶瓷放電管不能直接用于有源電路中，常因續流問(wèn)題導致電路短路，并且抑制電壓過(guò)高。

　　圖2：新型防護模式

　　柵極過(guò)電壓、過(guò)電流防護

　　傳統保護模式：防護方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設置一些保護元件， 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)現控制電路部分與被驅動(dòng)的IGBT之間的隔離設計，以及設計適合柵極的驅動(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)甚至會(huì )超出5%。相關(guān)的實(shí)驗數據和研究表明：這和瞬態(tài)浪涌、靜電及高頻電子干擾有著(zhù)緊密的關(guān)系，而穩壓管在此的響應時(shí)間和耐 電流能力遠遠不足，從而導致IGBT過(guò)熱而損壞。

　　新型保護模式：將傳統的穩壓管改為新型的瞬態(tài)抑制二極管(TVS)。一般柵極驅動(dòng)電壓約為15V，可以選型SMBJ15CA。該產(chǎn)品可以通過(guò)IEC61000-4-5浪涌測試10/700US 6kV。

　　TVS反應速度極快(達PS級)，通流能力遠超穩壓二極管(可達上千安培)，同時(shí)，TVS對靜電具有非常好的抑制效果。該產(chǎn)品可以通過(guò) IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測試。

　　將傳統電阻RG變更為正溫度系數(PPTC)保險絲。它既具有電阻的效果，又對溫度比較敏感。當內部電流增加時(shí)，其阻抗也在增加，從而對過(guò)流具有非常好的抑制效果。

　　圖3：傳統保護模式和新型保護模式電路對比