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IGBT的保護(hù)

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作者: 時(shí)間:2007-12-17 來(lái)源:電子元器件網(wǎng) 收藏

  將用于變換器時(shí),應(yīng)采取保護(hù)措施以防損壞器件,常用的保護(hù)措施有:

  (1) 通過(guò)檢出的過(guò)電流信號(hào)切斷門極控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù);

 ?。?) 利用緩沖電路抑制過(guò)電壓并限制du/dt;

 ?。?) 利用溫度傳感器檢測(cè)的殼溫,當(dāng)超過(guò)允許溫度時(shí)主電路跳閘,實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)。

  下面著重討論因短路而產(chǎn)生的過(guò)電流及其保護(hù)措施。

  前已述及,由于寄生晶閘管的影響,當(dāng)流過(guò)IGBT的電流過(guò)大時(shí),會(huì)產(chǎn)生不可控的擎住效應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)使IGBT的漏極電流不超過(guò)額定電流,以避免出現(xiàn)擎住現(xiàn)象。一旦主電路發(fā)生短路事故,IGBT由飽和導(dǎo)通區(qū)進(jìn)入放大區(qū),集電極電流IC并未大幅度增加,但此時(shí)漏極電壓很高,IGBT的功耗很大。短路電流能持續(xù)的時(shí)間t則由漏極功耗所決定。這段時(shí)間與漏極電源電壓UDD、門極電壓UGS及結(jié)溫Tj密切相關(guān)。圖1給出了允許短路時(shí)間t和電源電壓UDD的關(guān)系曲線。圖1(a)中示出了測(cè)試電路和UGS、iD的波形,測(cè)試條件為:受試元件為50A/1000V的IGBT,RG為24Ω,Tj為25℃,UGS為15V。圖1(b)為允許短路時(shí)間與電源電壓的關(guān)系曲線,由圖可知,隨著電源電壓的增加,允許短路過(guò)電流時(shí)間t減小。在負(fù)載短路過(guò)程中,漏極電流iD也隨門極電壓+UGS的增加而增加,并使IGBT允許的短路時(shí)間縮短。由于允許的短路時(shí)間隨門極電壓的增加而減小。所以,在有短路過(guò)程的設(shè)備中,IGBT的+UGS應(yīng)選用所必須的最小值。必須指出,在允許的短路時(shí)間內(nèi),IGBT工作在放大區(qū),漏極電流波形與門極輸入電壓波形很相似。

  對(duì)IGBT的過(guò)電流保護(hù)可采用集射極電壓識(shí)別的方法,在正常工作時(shí),IGBT的通態(tài)飽和電壓降Uon與集電極電流iC呈近似線性變化的關(guān)系,識(shí)別Uon的大小即可判斷IGBT集電極電流的大小。IGBT的結(jié)溫升高后,在大電流情況下通態(tài)飽和壓降增加,這種特性有利于過(guò)電流識(shí)別保護(hù)。圖2為過(guò)電流保護(hù)電路,由圖可知,集電極電壓與門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)相“與”后輸出過(guò)電流信號(hào),將此過(guò)電流信號(hào)反饋至主控電路切斷門極信號(hào),以保護(hù)IGBT不受損壞。具體應(yīng)用中尚須注意以下兩個(gè)問(wèn)題。

 ?。?) 識(shí)別時(shí)間。從識(shí)別出過(guò)電流信號(hào)至切斷門極信號(hào)的這段時(shí)間必須小于IGBT允許短路過(guò)電流的時(shí)間。前已述及,IGBT對(duì)短路電流的承受能力與其飽和管壓降的大小和門極驅(qū)動(dòng)電壓UGS的大小有很大關(guān)系。飽和壓降越大,短路承受能力越強(qiáng);UGS越小,短路承受能力也越強(qiáng)。對(duì)于飽和壓降為2~3V的IGBT,當(dāng)UGS=15V時(shí),其短路承受能力僅為5μs。為了有效保護(hù)IGBT,保護(hù)電路必須在2μs內(nèi)動(dòng)作,這樣短的反應(yīng)時(shí)間往往使用保護(hù)電路很難區(qū)分究竟是真短路還是“假短路”(例如續(xù)流二極管反向恢復(fù)過(guò)程,其時(shí)間就在1~2μs之間),這就對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性帶來(lái)不利的影響。為此不僅應(yīng)采取快速光耦合器件VL及快速傳送電路,而且有必要利用降低門極電壓增加IGBT承受短路的能力這一特性。當(dāng)UGS由15V降至10V時(shí),其短路承受能力則由5μs增至15μs。這樣,保護(hù)電路動(dòng)作就可以延長(zhǎng)10μs。這時(shí)如果短路仍存在,則認(rèn)為是真短路,完全關(guān)斷IGBT;如果短路消失,就是“假短路”,就把UGS由10V恢復(fù)到正常值15V,從而既可有效保護(hù)IGBT,又不誤動(dòng)作。{{分頁(yè)}}

 ?。?) 保護(hù)時(shí)的關(guān)斷速度問(wèn)題。由于IGBT過(guò)流時(shí)電流幅值很大,加之IGBT關(guān)斷速度很快,如果按正常時(shí)的關(guān)斷速度,就會(huì)造成Ldi/dt過(guò)大,形成很高的尖峰電壓,極易損壞IGBT和設(shè)備中的其他元器件;因此有必要讓IGBT在允許的短路時(shí)間內(nèi)采取措施使IGBT進(jìn)行“慢速關(guān)斷”。當(dāng)檢測(cè)到真短路時(shí),驅(qū)動(dòng)電路在關(guān)斷IGBT時(shí),必須讓門極電壓較慢地由15V下降,其原理如圖3(a)所示,圖中T3平時(shí)是導(dǎo)通的,電阻R1不被引入;一旦需要慢速切斷,則T3管截止,IGBT輸入電容通過(guò)RG、R1放電,時(shí)間常數(shù)加大,放電速度降低。圖3(b)為常態(tài)快速切斷與過(guò)電流慢速切斷兩種情況下的漏極電流波形變化示意圖。

  20世紀(jì)80年代末,IGBT開(kāi)始向智能功率模塊發(fā)展,現(xiàn)已發(fā)展到第三代。各代的內(nèi)置功能如下。

  第一代包括:①連接功率器件和控制電壓的接口電路;②過(guò)電流保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路。

  第二代包括:①第一代的內(nèi)置功能;②上、下支路的信號(hào)分配電路(防上、下支路間短路);③電路用電源。

  第三代包括:①第二代的內(nèi)置功能;②PWM控制電路;③過(guò)載變換(負(fù)載和模塊自身保護(hù)電路);④過(guò)電壓保護(hù)電路(直流電壓異常增加時(shí),模塊本身的保護(hù)電路)。

  由此可見(jiàn),第三代IGBT智能功率模塊具有逆變器的基本功能,使應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)化,裝置的零部件大為減少,可靠性得以提高。

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