如何進(jìn)行IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)

本文論述了IGBT的過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)與過(guò)熱保護(hù)相關(guān)問(wèn)題，并從實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)出各種保護(hù)方法，這些方法實(shí)用性強(qiáng)，保護(hù)效果好，是IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)必備知識(shí)。

IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）是一種用MOS來(lái)控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過(guò)流能力與耐過(guò)壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會(huì)使它損壞。為此，必須但對(duì)IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。

過(guò)流保護(hù)

生產(chǎn)廠家對(duì)IGBT提供的安全工作區(qū)有嚴(yán)格的限制條件，且IGBT承受過(guò)電流的時(shí)間僅為幾微秒（SCR、GTR等器件承受過(guò)流時(shí)間為幾十微秒），耐過(guò)流量小，因此使用IGBT首要注意的是過(guò)流保護(hù)。產(chǎn)生過(guò)流的原因大致有：晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動(dòng)電路故障或干擾等引起誤動(dòng)、輸出線接錯(cuò)或絕緣損壞等形成短路、輸出端對(duì)地短路與電機(jī)絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等。

對(duì)IGBT的過(guò)流檢測(cè)保護(hù)分兩種情況：

（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?。粚?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)