新型IGBT系统电路保护设计方案 - 全文

目前在使用和设计IGBT的过程中，基本上都是采用粗放式的设计模式，所需余量较大，系统庞大，但仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。本文将突破传统的保护方式，探讨IGBT系统电路保护设计的解决方案。

IGBT绝缘栅双极型晶体管是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它结合功率MOSFET的工艺技术，将功率MOSFET和功率管GTR集成在同一个芯片中。该器件具有开关频率高、输入阻抗较大、热稳定性好、驱动电路简单、低饱和电压及大电流等特性，被作为功率器件广泛应用于工业控制、电力电子系统等领域(例如：伺服电机的调速、变频电源)。为使我们设计的系统能够更安全、更可靠的工作，对IGBT的保护显得尤为重要。

目前，在使用和设计IGBT的过程中，基本上都是采用粗放式的设计模式——所需余量较大，系统庞大，但仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。瞬雷电子公司利用在半导体领域的生产和设计优势，结合瞬态抑制二极管的特点，在研究IGBT失效机理的基础上，通过整合系统内外部来突破设计瓶颈。本文将突破传统的保护方式，探讨IGBT系统电路保护设计的解决方案。

IGBT失效场合：来自系统内部，如电力系统分布的杂散电感、电机感应电动势、负载突变都会引起过电压和过电流;来自系统外部，如电网波动、电力线感应、浪涌等。归根结底，IGBT失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。

IGBT失效机理：IGBT由于上述原因发生短路，将产生很大的瞬态电流——在关断时电流变化率di/dt过大。漏感及引线电感的存在，将导致IGBT集电极过电压，而在器件内部产生擎住效应，使IGBT锁定失效。同时，较高的过电压会使IGBT击穿。IGBT由于上述原因进入放大区， 使管子开关损耗增大。

IGBT传统防失效机理：尽量减少主电路的布线电感量和电容量，以此来减小关断过电压;在集电极和发射极之间，放置续流二极管，并接RC电路和RCD电路等;在栅极，根据电路容量合理选择串接阻抗，并接稳压二极管防止栅极过电压。

IGBT失效防护

1. 集电极过电压、过电流防护，以IGBT变频调速电源主电路为例(图1)。

图1：传统保护模式

在集电极和发射极之间并接RC滤波电路，可有效地抑制关断过电压和开关损耗。但在实际应用中，由于DC电源前端的浪涌突波会使集电极过电压，并使RC滤波电路部分的抑制效果生效，IGBT通常都会被击穿或者短路。另外，在电机起动时，由于起动时的大电流，在主线路中分布的电感亦会造成较大程度的感应过电压，使IGBT损坏。同时，电机励磁造成的感应电动势，对电路的破坏也相当地大——工程师们经常没有考虑到这一点。

针对上述情况，浪涌突波部分可以用防雷电路进行防护(图2)。瞬雷电子开发的蓝宝宝浪涌抑制器(BPSS)，在雷击方面既具有极大的过电流能力，又具有极低的残压。同时，针对电机部分，参照ISO7637的相关标准，该产品完全可以使用。而使用其他器件则不能同时达到上述两种情况。具体问题有：压敏电阻在ISO7637的长波(P5A)中容易失效，并且不宜长期使用;陶瓷放电管不能直接用于有源电路中，常因续流问题导致电路短路，并且抑制电压过高。

图2：新型防护模式

2.栅极过电压、过电流防护

传统保护模式：防护方案防止栅极电荷积累及栅源电压出现尖峰损坏IGBT——可在G极和E极之间设置一些保护元件，如下图的电阻RGE的作用，是使栅极积累电荷泄放(其阻值可取5kΩ);两个反向串联的稳压二极管V1和V2，是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。另外，还有实现控制电路部分与被驱动的IGBT之间的隔离设计，以及设计适合栅极的驱动脉冲电路等。然而即使这样，在实际使用的工业环境中，以上方案仍然具有比较高的产品失效率——有时甚至会超出5%。相关的实验数据和研究表明：这和瞬态浪涌、静电及高频电子干扰有着紧密的关系，而稳压管在此的响应时间和耐电流能力远远不足，从而导致IGBT过热而损坏。

新型保护模式：将传统的稳压管改为新型的瞬态抑制二极管(TVS)。一般栅极驱动电压约为15V，可以选型SMBJ15CA。该产品可以通过IEC61000-4-5浪涌测试10/700US 6kV。

TVS反应速度极快(达PS级)，通流能力远超稳压二极管(可达上千安培)，同时，TVS对静电具有非常好的抑制效果。该产品可以通过 IEC61000-4-2接触放电8kV和空气放电15kV的放电测试。

将传统电阻RG变更为正温度系数(PPTC)保险丝。它既具有电阻的效果，又对温度比较敏感。当内部电流增加时，其阻抗也在增加，从而对过流具有非常好的抑制效果。

图3：传统保护模式和新型保护模式电路对比