IGBT的保護設計

摘要：通過對IGBT損壞機理的分析，根據其損壞的原因，采取相應措施對其進行保護，以保證其安全可靠工作。

關鍵詞：IGBT；MOSFET；驅動；過壓；浪涌；緩沖；過流；過熱；保護

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此，可以把其看作是MOS輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優點，既具有MOSFET器件驅動簡單和快速的優點，又具有雙極型器件容量大的優點，因而，在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。

在中大功率的開關電源裝置中，IGBT由于其控制驅動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關電源裝置中，由于它工作在高頻與高電壓、大電流的條件下，使得它容易損壞，另外，電源作為系統的前級，由于受電網波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大，故IGBT的可靠性直接關系到電源的可靠性。因而，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環節。

1 IGBT的工作原理

IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通；若IGBT的柵極和發射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

圖1 IGBT的等效電路

由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：

——IGBT柵極與發射極之間的電壓；

——IGBT集電極與發射極之間的電壓；

——流過IGBT集電極－發射極的電流；

——IGBT的結溫。

如果IGBT柵極與發射極之間的電壓，即驅動電壓過低，則IGBT不能穩定正常地工作，如果過高超過柵極－發射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞；同樣，如果加在IGBT集電極與發射極允許的電壓超過集電極－發射極之間的耐壓，流過IGBT集電極－發射極的電流超過集電極－發射極允許的最大電流，IGBT的結溫超過其結溫的允許值，IGBT都可能會永久性損壞。

2保護措施

在進行電路設計時，應針對影響IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相應的保護措施。

2．1 IGBT柵極的保護

IGBT的柵極－發射極驅動電壓VGE的保證值為±20V，如果在它的柵極與發射極之間加上超出保證值的電壓，則可能會損壞IGBT，因此，在IGBT的驅動電路中應當設置柵壓限幅電路。另外，若IGBT的柵極與發射極間開路，而在其集電極與發射極之間加上電壓，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與集電極和發射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極－發射極有電流流過。這時若集電極和發射極間處于高壓狀態時，可能會使IGBT發熱甚至損壞。如果設備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開，在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會損壞。為防止此類情況發生，應在IGBT的柵極與發射極間并接一只幾十kΩ的電阻，此電阻應盡量靠近柵極與發射極。如圖2所示。

圖2 柵極保護電路

由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體，特別是其柵極為MOS結構，因此除了上述應有的保護之外，就像其他MOS結構器件一樣，IGBT對于靜電壓也是十分敏感的，故而對IGBT進行裝配焊接作業時也必須注意以下事項：

——在需要用手接觸IGBT前，應先將人體上的靜電放電后再進行操作，并盡量不要接觸模塊的驅動端子部分，必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉；

——在焊接作業時，為了防止靜電可能損壞IGBT，焊機一定要可靠地接地。

2．2 集電極與發射極間的過壓保護

過電壓的產生主要有兩種情況，一種是施加到IGBT集電極－發射極間的直流電壓過高，另一種為集電極－發射極上的浪涌電壓過高。

2.2.1 直流過電壓

直流過壓產生的原因是由于輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時，進行降額設計；另外，可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入，保證IGBT的安全。

2.2.2 浪涌電壓的保護

因為電路中分布電感的存在，加之IGBT的開關速度較高，當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時，就會產生很大的浪涌電壓Ldi/dt，威脅IGBT的安全。

通常IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示。

圖3 IGBT的浪涌電壓波形