簡述IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)中必知問題

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)出了過流、過壓與過熱保護(hù)的相關(guān)問題和各種保護(hù)方法，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用效果好。

2 過流保護(hù)

過流保護(hù)用PTC熱敏電阻通過其阻值突變限制整個(gè)線路中的消耗來減少殘余電流值。可取代傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲，廣泛用于馬達(dá)、變壓器、開關(guān)電源、電子線路等的過流過熱保護(hù)，傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲在線路熔斷后無法自行恢復(fù)， 而過流保護(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)其過流過熱保護(hù)功能。

對IGBT的過流檢測保護(hù)分兩種情況：

主電路和控制電路之間，用來對控制電路的信號進(jìn)行放大的中間電路(即放大控制電路的信號使其能夠驅(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)電路中無保護(hù)功能。這時(shí)在主電路中要設(shè)置過流檢測器件。對于小容量變頻器，一般是把電阻R直接串接在主電路中，如圖1(a)所示，通過電阻兩端的電壓來反映電流的大小;對于大中容量變頻器，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)電流互感器檢測流過IGBT的總電流，經(jīng)濟(jì)簡單，但檢測精度較差;后者直接反映每個(gè)IGBT的電流，測量精度高，但需6個(gè)電流互感器。過電流檢測出來的電流信號，經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號，從而關(guān)斷IGBT的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

圖1 IGBT的過流檢測

(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，通過檢測Uce(ON)的大小來判斷Ie的大小，產(chǎn)品的可靠性高。不同型號的混合驅(qū)動(dòng)模塊，其輸出能力、開關(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過流保護(hù)的配合

上述用改變二極管的個(gè)數(shù)來調(diào)整過流保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)的方法，雖然簡單實(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的控制信號重疊或開關(guān)器件本身延時(shí)過長等原因，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)與門對同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號進(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)信號可否通過的制約條件，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流情況的出現(xiàn)。

圖3 IGBT橋臂直通短路保護(hù)