IGBT各种保护设计方法

1、本文格式为Word版，下载可任意编辑IGBT各种保护设计方法 IGBT（绝缘栅双极性晶体管）是一种用MOS来掌握晶体管的新型电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点，因而广泛应用在变频器的逆变电路中。但由于IGBT的耐过流力量与耐过压力量较差，一旦消失意外就会使它损坏。为此，必需但对IGBT进行相关爱护 本文从实际应用动身，总结出了过流、过压与过热爱护的相关问题和各种爱护方法，有用性强，应用效果好。 1、过流爱护 生产厂家对IGBT供应的平安工作区有严格的限制条件，且IGBT承受过电流的时间仅为几微秒（SCR、GTR等器件承受过流时间为几十微秒），耐过流量小，因此使用IGBT

2、首要留意的是过流爱护。产生过流的缘由大致有：晶体管或二极管损坏、掌握与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路与电机绝缘损坏、逆变桥的桥臂短路等。 对IGBT的过流检测爱护分两种状况： （1）驱动电路中无爱护功能。这时在主电路中要设置过流检测器件。对于小容量变频器，一般是把电阻R直接串接在主电路中，如通过电阻两端的电压来反映电流的大小；对于大中容量变频器，因电流大，需用电流互感器TA（如霍尔传感器等）。电流互感器所接位置：一是像串电阻那样串接在主回路中；二是串接在每个IGBT上。前者只用一个电流互感器检测流过IGBT的总电流，经济简洁，但检测精度较差；后者直

3、接反映每个IGBT的电流，测量精度高，但需6个电流互感器。过电流检测出来的电流信号，经光耦管向掌握电路输出封锁信号，从而关断IGBT的触发，实现过流爱护。 （2）驱动电路中设有爱护功能。如日本英达公司的HR065、富士电机的EXB840844、三菱公司的M57962L等，是集驱动与爱护功能于一体的集成电路（称为混合驱动模块），其电流检测是利用在某一正向栅压Uge下，正向导通管压降Uce（ON）与集电极电流Ie成正比的特性，通过检测Uce（ON）的大小来推断Ie的大小，产品的牢靠性高。不同型号的混合驱动模块，其输出力量、开关速度与du/dt的承受力量不同，使用时要依据实际状况恰当选用。 由于混合

4、驱动模块本身的过流爱护临界电压动作值是固定的（一般为710V），因而存在着一个与IGBT协作的问题。通常采纳的方法是调整串联在IGBT集电极与驱动模块之间的二极管V的个数，使这些二极管的通态压降之和等于或略大于驱动模块过流爱护动作电压与IGBT的通态饱和压降Uce（ON）之差。 上述用转变二极管的个数来调整过流爱护动作点的方法，虽然简洁有用，但精度不高。这是由于每个二极管的通态压降为固定值，使得驱动模块与IGBT集电极c之间的电压不能连续可调。在实际工作中，改进方法有两种： （1）转变二极管的型号与个数相结合。例如，IGBT的通态饱和压降为2.65V，驱动模块过流爱护临界动作电压值为7.84V

5、时，那么整个二极管上的通态压降之和应为7.84-2.65=5.19V，此时选用7个硅二极管与1个锗二极管串联，其通态压降之和为0.7×7+0.3×1=5.20V（硅管视为0.7V，锗管视为0.3V），则能较好地实现协作（2）二极管与电阻相结合。由于二极管通态压降的差异性，上述改进方法很难精确设定IGBT过流爱护的临界动作电压值 假如用电阻取代12个二极管，则可做到精确协作。 另外，由于同一桥臂上的两个IGBT的掌握信号重叠或开关器件本身延时过长等缘由，使上下两个IGBT直通，桥臂短路，此时电流的上升率和浪涌冲击电流都很大，极易损坏IGBT 为此，还可以设置桥臂互锁爱护。图中

6、用两个与门对同一桥臂上的两个IGBT的驱动信号进行互锁，使每个IGBT的工作状态都互为另一个IGBT驱动信号可否通过的制约条件，只有在一个IGBT被确认关断后，另一个IGBT才能导通，这样严格防止了臂桥短路引起过流状况的消失。 2、过压爱护 IGBT在由导通状态关断时，电流Ic突然变小，由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压uce=L dic/dt，加之IGBT的耐过压力量较差，这样就会使IGBT击穿，因此，其过压爱护也是非常重要的。过压爱护可以从以下几个方面进行： （1）尽可能削减电路中的杂散电感。作为模块设计制造者来说，要优化模块内部结构（如采

7、纳分层电路、缩小有效回路面积等），削减寄生电感；作为使用者来说，要优化主电路结构（采纳分层布线、尽量缩短联接线等），削减杂散电感。另外，在整个线路上多加一些低阻低感的退耦电容，进一步削减线路电感。全部这些，对于直接削减IGBT的关断过电压均有较好的效果。 （2）采纳汲取回路。汲取回路的作用是；当IGBT关断时，汲取电感中释放的能量，以降低关断过电压。常用的汲取回路有两种，如图4所示。其中（a）图为充放电汲取回路，（b）图为钳位式汲取回路。对于电路中元件的选用，在实际工作中，电容c选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为2 F左右。电容量选得大一些，对浪涌尖峰电压的抑制好一些

8、，但过大会受到放电时间的限制。电阻R选用氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满意放电时间明显小于主电路开关周期的要求，可按RT/6C计算，T为主电路的开关周期。二极管V应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。 （3）适当增大栅极电阻Rg。实践证明，Rg增大，使IGBT的开关速度减慢，能明显削减开关过电压尖峰，但相应的增加了开关损耗，使IGBT发热增多，要协作进行过热爱护。Rg阻值的选择原则是：在开关损耗不太大的状况下，尽可能选用较大的电阻，实际工作中按Rg=3000/Ic 选取。 除了上述削减c、e之间的过电压之外，为防止栅极电荷积累、栅源电压消失尖峰损坏IGBT，可在g、e之间设置

9、一些爱护元件，电路如图5所示。电阻R的作用是使栅极积累电荷泄放，其阻值可取4.7k；两个反向串联的稳压二极管V1、V2。是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。 3、过热爱护 IGBT 的损耗功率主要包括开关损耗和导通损耗，前者随开关频率的增高而增大，占整个损耗的主要部分；后者是IGBT掌握的平均电流与电源电压的乘积。由于IGBT是大功率半导体器件，损耗功率使其发热较多（尤其是Rg选择偏大时），加之IGBT的结温不能超过125，不宜长期工作在较高温度下，因此要实行恰当的散热措施进行过热爱护。 散热一般是采纳散热器（包括一般散热器与热管散热器），并可进行强迫风冷。散热器的结构设计应满意：Tj=P（Rjc+Rcs+Rsa）Tjm式中TjIGBT的工作结温 P损耗功率 Rjc结壳热阻vkZ电子资料网 Rcs壳散