IGBT保護電路缺陷的解決方案

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IGBT保護電路缺陷的解決方案

發表於 2019-09-02 09:40:32

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型電晶體，是由BJT（雙極型三極體）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的複合全控型電壓驅動式功率半導體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流較大；MOSFET驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用於直流電壓為600V及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。

IGBT絕緣柵雙極型電晶體是一種典型的雙極MOS複合型功率器件。它結合功率MOSFET的工藝技術，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一個晶片中。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於工業控制、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。

目前，在使用和設計IGBT的過程中，基本上都是採用粗放式的設計模式——所需餘量較大，系統龐大，但仍無法抵抗來自外界的幹擾和自身系統引起的各種失效問題。瞬雷電子公司利用在半導體領域的生產和設計優勢，結合瞬態抑制二極體的特點，在研究IGBT失效機理的基礎上，通過整合系統內外部來突破設計瓶頸。本文將突破傳統的保護方式，探討IGBT系統電路保護設計的解決方案。

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、浪湧等。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由於上述原因發生短路，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由於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：儘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，放置續流二極體，並接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，並接穩壓二極體防止柵極過電壓。

IGBT失效防護

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IGBT保護模式。

在集電極和發射極之間並接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，由於DC電源前端的浪湧突波會使集電極過電壓，並使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，由於起動時的大電流，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，浪湧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湧抑制器（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，並且不宜長期使用；陶瓷放電管不能直接用於有源電路中，常因續流問題導致電路短路，並且抑制電壓過高。

圖2：新型IGBT防護電路

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，是使柵極積累電荷洩放（其阻值可取5kΩ）；兩個反向串聯的穩壓二極體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衝電路等。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：這和瞬態浪湧、靜電及高頻電子幹擾有著緊密的關係，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體（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浪湧測試10/700US 6kV。

TVS反應速度極快（達PS級），通流能力遠超穩壓二極體（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變更為正溫度係數（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。

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