簡(jiǎn)述IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)中必知問(wèn)題

1 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(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)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(yīng)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(shí)的注意事項(xiàng)對(duì)實(shí)際中的應(yīng)用是十分必要的。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)出了過(guò)流、過(guò)壓與過(guò)熱保護(hù)的相關(guān)問(wèn)題和各種保護(hù)方法，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用效果好。

2 過(guò)流保護(hù)

過(guò)流保護(hù)用PTC熱敏電阻通過(guò)其阻值突變限制整個(gè)線路中的消耗來(lái)減少殘余電流值?？扇〈鷤鹘y(tǒng)的保險(xiǎn)絲，廣泛用于馬達(dá)、變壓器、開(kāi)關(guān)電源、電子線路等的過(guò)流過(guò)熱保護(hù)，傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲在線路熔斷后無(wú)法自行恢復(fù)， 而過(guò)流保護(hù)用PTC熱敏電阻在故障撤除后即可恢復(fù)到預(yù)保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)再次出現(xiàn)故障時(shí)又可以實(shí)現(xiàn)其過(guò)流過(guò)熱保護(hù)功能。

對(duì)IGBT的過(guò)流檢測(cè)保護(hù)分兩種情況：

主電路和控制電路之間，用來(lái)對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大的中間電路(即放大控制電路的信號(hào)使其能夠驅(qū)動(dòng)功率晶體管)，稱為驅(qū)動(dòng)電路。安規(guī)問(wèn)題，驅(qū)動(dòng)電路副邊與主電路有耦合關(guān)系，而驅(qū)動(dòng)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(shí)間要做基本絕緣，實(shí)現(xiàn)絕緣要求一般就采取變壓器光耦等隔離措施。

(1)驅(qū)動(dòng)電路中無(wú)保護(hù)功能。這時(shí)在主電路中要設(shè)置過(guò)流檢測(cè)器件。對(duì)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(guò)電阻兩端的電壓來(lái)反映電流的大小;對(duì)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(gè)IGBT上，如圖1(b)所示。前者只用一個(gè)電流互感器檢測(cè)流過(guò)IGBT的總電流，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，但檢測(cè)精度較差;后者直接反映每個(gè)IGBT的電流，測(cè)量精度高，但需6個(gè)電流互感器。過(guò)電流檢測(cè)出來(lái)的電流信號(hào)，經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號(hào)，從而關(guān)斷IGBT的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

圖1 IGBT的過(guò)流檢測(cè)

(2)驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)有保護(hù)功能。如日本英達(dá)公司的HR065、富士電機(jī)的EXB840～844、三菱公司的M57962L等，是集驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能于一體的集成電路(稱為混合驅(qū)動(dòng)模塊)，其電流檢測(cè)是利用在某一正向柵壓Uge下，正向?qū)ü軌航礥ce(ON)與集電極電流Ie成正比的特性，通過(guò)檢測(cè)Uce(ON)的大小來(lái)判斷Ie的大小，產(chǎn)品的可靠性高。不同型號(hào)的混合驅(qū)動(dòng)模塊，其輸出能力、開(kāi)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。

由于混合驅(qū)動(dòng)模塊本身的過(guò)流保護(hù)臨界電壓動(dòng)作值是固定的(一般為7～10V)，因而存在著一個(gè)與IGBT配合的問(wèn)題。通常采用的方法是調(diào)整串聯(lián)在IGBT集電極與驅(qū)動(dòng)模塊之間的二極管V的個(gè)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(qū)動(dòng)模塊過(guò)流保護(hù)動(dòng)作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce(ON)之差。

圖2 混合驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT過(guò)流保護(hù)的配合

上述用改變二極管的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)整過(guò)流保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)的方法，雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但精度不高。這是因?yàn)槊總€(gè)二極管的通態(tài)壓降為固定值，使得驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調(diào)。在實(shí)際工作中，改進(jìn)方法有兩種：

(1)改變二極管的型號(hào)與個(gè)數(shù)相結(jié)合。例如，IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V，驅(qū)動(dòng)模塊過(guò)流保護(hù)臨界動(dòng)作電壓值為7.84V時(shí)，那么整個(gè)二極管上的通態(tài)壓降之和應(yīng)為7.84-2.65=5.19V，此時(shí)選用7個(gè)硅二極管與1個(gè)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(shí)現(xiàn)配合(2)二極管與電阻相結(jié)合。由于二極管通態(tài)壓降的差異性，上述改進(jìn)方法很難精確設(shè)定IGBT過(guò)流保護(hù)的臨界動(dòng)作電壓值 如果用電阻取代1～2個(gè)二極管，如圖2(b)，則可做到精確配合。

另外，由于同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的控制信號(hào)重疊或開(kāi)關(guān)器件本身延時(shí)過(guò)長(zhǎng)等原因，使上下兩個(gè)IGBT直通，橋臂短路，此時(shí)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(shè)置橋臂互鎖保護(hù)，如圖3所示。圖中用兩個(gè)與門(mén)對(duì)同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行互鎖，使每個(gè)IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)可否通過(guò)的制約條件，只有在一個(gè)IGBT被確認(rèn)關(guān)斷后，另一個(gè)IGBT才能導(dǎo)通，這樣嚴(yán)格防止了臂橋短路引起過(guò)流情況的出現(xiàn)。

圖3 IGBT橋臂直通短路保護(hù)[!--empirenews.page--]

3 過(guò)壓保護(hù)

現(xiàn)代電力變換裝置均采用大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，其所能承受的電流過(guò)載能力相對(duì)于旋轉(zhuǎn)變流裝置要低得多，如IGBT一般只能承受幾十個(gè)μs甚至幾個(gè)μs的過(guò)載電流，一旦短路發(fā)生就要求保護(hù)電路能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，切斷短路電流，使開(kāi)關(guān)器件不致于因過(guò)流而損壞。但是，在短路情況下迅速關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，將導(dǎo)致負(fù)載電流下降過(guò)快而產(chǎn)生過(guò)大的di/dt,由于引線電感和漏感的存在，過(guò)大的di/dt將產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，而使開(kāi)關(guān)器件面臨過(guò)壓擊穿的危險(xiǎn)。對(duì)于IGBT,過(guò)高的電壓又可能導(dǎo)致器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)失控而損壞器件。因此，必須綜合考慮和設(shè)計(jì)電力變換裝置短路保護(hù)，以確保電流保護(hù)的有效性。

IGBT在由導(dǎo)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(fù)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(hù)也是十分重要的。過(guò)壓保護(hù)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(shè)計(jì)制造者來(lái)說(shuō)，要優(yōu)化模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)(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(gè)線路上多加一些低阻低感的退耦電容，進(jìn)一步減少線路電感。所有這些，對(duì)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(dāng)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(duì)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(duì)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(jì)算，T為主電路的開(kāi)關(guān)周期。二極管V應(yīng)選用正向過(guò)渡電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短的軟特性緩沖二極管。

(3)適當(dāng)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(yīng)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(hù)。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(xiàn)尖峰損壞IGBT，可在g、e之間設(shè)置一些保護(hù)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(wěn)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(hù)

4 過(guò)熱保護(hù)

IGBT 的損耗功率主要包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)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(dǎo)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(jié)溫不能超過(guò)125℃，不宜長(zhǎng)期工作在較高溫度下，因此要采取恰當(dāng)?shù)纳岽胧┻M(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。

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(qiáng)迫風(fēng)冷。散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：Tj=P△(Rjc+Rcs+Rsa)《Tjm　　式中Tj-IGBT的工作結(jié)溫

P△-損耗功率

Rjc-結(jié)-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(jié)溫

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