瑞士ABB IGBT模块的工作原理和保护措施
IGBT的工作原理
IGBT的等效电路如图1所示。由图1可知若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压则MOSFET导通这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通;若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V则MOSFET截止切断PNP晶体管基极电流的供给使得晶体管截止。
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由此可知IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：
——IGBT栅极与发射极之间的电压;
——IGBT集电极与发射极之间的电压;
——流过IGBT集电极－发射极的电流;
——IGBT的结温。
如果IGBT栅极与发射极之间的电压即驱动电压过低则IGBT不能稳定正常地工作如果过高过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能性损坏;同样如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压过集电极－发射极之间的耐压流过IGBT集电极－发射极的电流过集电极－发射极允许的大电流IGBT的结温过其结温的允许值IGBT都可能会性损坏。
保护措施
在进行电路设计时应针对影响IGBT可靠性的因素有的放矢地采取相应的保护措施。
2．1 IGBT栅极的保护
IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V如果在它的栅极与发射极之间加上出保证值的电压则可能会损坏IGBT因此在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外若IGBT的栅极与发射极间开路而在其集电极与发射极之间加上电压则随着集电极电位的变化由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在使得栅极电位升高集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开在不被察觉的情况下给主电路加上电压则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻此电阻应尽量靠近栅极与发射极。如图2所示。
由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体特别是其栅极为MOS结构因此除了上述应有的保护之外就像其他MOS结构器件一样IGBT对于静电压也是十分敏感的故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：
——在需要用手接触IGBT前应先将人体上的静电放电后再进行操作并尽量不要接触模块的驱动端子部分必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉;
——在焊接作业时为了防止静电可能损坏IGBT焊机一定要可靠地接地。
2．2 集电极与发射极间的过压保护
过电压的产生主要有两种情况一种是施加到IGBT集电极－发射极间的直流电压过高另一种为集电极－发射极上的浪涌电压过高。
2.2.1 直流过电压
直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT时进行降额设计;另外可在检测出这一过压时分断IGBT的输入保证IGBT的安全。
2.2.2 浪涌电压的保护
因为电路中分布电感的存在加之IGBT的开关速度较高当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt威胁IGBT的安全。
通常IGBT的浪涌电压波形如图3所示。
图中：vCE为IGBT?电极－发射极间的电压波形;
ic为IGBT的集电极电流;
Ud为输入IGBT的直流电压;
VCESP=Ud＋Ldic/dt为浪涌电压峰值。
如果VCESP出IGBT的集电极－发射极间耐压值VCES就可能损坏IGBT。解决的办法主要有：
——在选取IGBT时考虑设计裕量;
——在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg使di/dt尽可能小;
——尽量将电解电容靠近IGBT安装以减小分布电感;
——根据情况加装缓冲保护电路旁路高频浪涌电压。
由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。
—C缓冲电路如图4(a)所示采用薄膜电容靠近IGBT安装其特点是电路简单其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路易产生电压振荡而且IGBT开通时集电极电流较大。
——RC缓冲电路如图4(b)所示其特点是适合于斩波电路但在使用大容量IGBT时必须使缓冲电阻值增大否则开通时集电极电流过大使IGBT功能受到一定限制。
——RCD缓冲电路如图4(c)所示与RC缓冲电路相比其特点是增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大避开了开通时IGBT功能受阻的问题。
该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为
P=LI2f＋CUd2f式中：L为主电路中的分布电感;
I为IGBT关断时的集电极电流;
f为IGBT的开关频率;
C为缓冲电容;
Ud为直流电压值。
——放电阻止型缓冲电路如图4(d)所示与RCD缓冲电路相比其特点是产生的损耗小适合于高频开关。
在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为
P=1/2LI2f+1/2CUf
根据实际情况选取适当的缓冲保护电路抑制关断浪涌电压。在进行装配时要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感接线越短越粗越好。
2．3 集电极电流过流保护
对IGBT的过流保护主要有3种方法。
2.3.1 用电阻或电流互感器检测过流进行保护
如图5（a）及图5（b）所示可以用电阻或电流互感器与IGBT串联检测流过IGBT集电极的电流。当有过流情况发生时控制执行机构断开IGBT的输入达到保护IGBT的目的。
2.3.2 由IGBT的VCE(sat)检测过流进行保护
如图5（c）所示因VCE(sat)=IcRCE(sat)当Ic增大时VCE(sat)也随之增大若栅极电压为高电平而VCE为高则此时就有过流情况发生此时与门输出高电平将过流信号输出控制执行机构断开IGBT的输入保护IGBT。
2.3.3 检测负载电流进行保护
此方法与图5（a）中的检测方法基本相同但图5（a）属直接法此属间接法如图5（d）所示。若负载短路或负载电流加大时也可能使前级的IGBT的集电极电流增大导致IGBT损坏。由负载处（或IGBT的后一级电路）检测到异常后控制执行机构切断IGBT的输入达到保护的目的。
2．4 过热保护
一般情况下流过IGBT的电流较大开关频率较高故而器件的损耗也比较大如果热量不能及时散掉使得器件的结温Tj过Tjmax则IGBT可能损坏。
IGBT的功耗包括稳态功耗和动态动耗其动态功耗又包括开通功耗和关断功耗。在进行热设计时不仅要保证其在正常工作时能够充分散热而且还要保证其在发生短时过载时IGBT的结温也不过Tjmax。
当然受设备的体积和重量等的限制以及的考虑散热系统也不可能无限制地扩大。可在靠近IGBT处加装一温度继电器等检测IGBT的工作温度。控制执行机构在发生异常时切断IGBT的输入保护其安全。
除此之外将IGBT往散热器上安装固定时应注意以下事项：
——由于热阻随IGBT安装位置的不同而不同因此若在散热器上仅安装一个IGBT时应将其安装在正中间以便使得热阻小;当要安装几个IGBT时应根据每个IGBT的发热情况留出相应的空间;
——使用带纹路的散热器时应将IGBT较宽的方向顺着散热器的纹路以减少散热器的变形;
——散热器的安装表面光洁度应≤10μm如果散热器的表面不平将大大增加散热器与器件的接触热阻甚至在IGBT的管芯和管壳之间的衬底上产生很大的张力损坏IGBT的绝缘层;
——为了减少接触热阻好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂
