發布日期：2022-07-24 點擊率：70
【導讀】IGBT作為功率器件廣泛應用于工業控制、電力電子系統等領域。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。那么新型保護電路與傳統的保護電路又有那些根本上的不同呢？
要實現“十一五”規劃中提出的“單位國內生產總值能源消耗比‘十五’期末降低20%左右”的目標，關鍵是要有效降低工業生產過程中那些大電流和高電壓應用的功耗，如交流電機控制、逆變器、繼電器、開關電源、變頻器、工業傳動裝置、機車與列車用電源以及供暖系統傳動裝置等工業自動化應用的能耗。
所有這些交流控制應用都需要能夠產生大電流和高電壓的核心功率器件，作為新型電力電子器件的代表，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)越來越受到業界的重視。
IGBT結合功率MOSFET的工藝技術，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一個芯片中。該器件具有開關頻率高、輸入阻抗較大、熱穩定性好、驅動電路簡單、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控制、電力電子系統等領域(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。
1. 集電極過電壓、過電流防護
以IGBT變頻調速電源主電路為例(圖1)。
圖1:傳統保護模式
在集電極和發射極之間并接RC濾波電路，可有效地抑制關斷過電壓和開關損耗。但在實際應用中，由于DC電源前端的浪涌突波會使集電極過電壓，并使RC濾波電路部分的抑制效果生效，IGBT通常都會被擊穿或者短路。另外，在電機起動時，由于起動時的大電流，在主線路中分布的電感亦會造成較大程度的感應過電壓，使IGBT損壞。同時，電機勵磁造成的感應電動勢，對電路的破壞也相當地大--工程師們經常沒有考慮到這一點。
針對上述情況，浪涌突波部分可以用防雷電路進行防護(圖2)。瞬雷電子開發的藍寶寶浪涌抑制器(BPSS)，在雷擊方面既具有極大的過電流能力，又具有極低的殘壓。同時，針對電機部分，參照ISO7637的相關標準，該產品完全可以使用。而使用其他器件則不能同時達到上述兩種情況。具體問題有：壓敏電阻在ISO7637的長波(P5A)中容易失效，并且不宜長期使用;陶瓷放電管不能直接用于有源電路中，常因續流問題導致電路短路，并且抑制電壓過高。
圖2 新型電路保護模式
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2.柵極過電壓、過電流防護
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);兩個反向串聯的穩壓二極管V1和V2,是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT.另外，還有實現控制電路部分與被驅動的IGBT之間的隔離設計，以及設計適合柵極的驅動脈沖電路等。然而即使這樣，在實際使用的工業環境中，以上方案仍然具有比較高的產品失效率--有時甚至會超出5%.相關的實驗數據和研究表明：這和瞬態浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關系，而穩壓管在此的響應時間和耐電流能力遠遠不足，從而導致IGBT過熱而損壞。
新型保護模式：將傳統的穩壓管改為新型的瞬態抑制二極管(TVS)。一般柵極驅動電壓約為15V,可以選型SMBJ15CA.該產品可以通過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，TVS對靜電具有非常好的抑制效果。該產品可以通過 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，其阻抗也在增加，從而對過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
IGBT失效場合
來自系統內部，如電力系統分布的雜散電感、電機感應電動勢、負載突變都會引起過電壓和過電流;來自系統外部，如電網波動、電力線感應、浪涌等。歸根結底，IGBT失效主要是由集電極和發射極的過壓/過流和柵極的過壓/過流引起。
IGBT失效機理
IGBT由于上述原因發生短路，將產生很大的瞬態電流--在關斷時電流變化率di/dt過大。漏感及引線電感的存在，將導致IGBT集電極過電壓，而在器件內部產生擎住效應，使IGBT鎖定失效。同時，較高的過電壓會使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進入放大區， 使管子開關損耗增大。
IGBT傳統防失效機理
盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來減小關斷過電壓;在集電極和發射極之間，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電壓。
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