IGBT的使用方法

IGBT絕緣柵雙極型晶體管是一種典型的雙極MOS復(fù)合型功率器件。它結(jié)合功率MOSFET的工藝技術(shù)，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一個(gè)芯片中。該器件具有開關(guān)頻率高、輸入阻抗較大、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、低飽和電壓及大電流等特性，被作為功率器件廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力電子系統(tǒng)等領(lǐng)域（例如：伺服電機(jī)的調(diào)速、變頻電源）。為使我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠更安全、更可靠的工作，對(duì)IGBT的保護(hù)顯得尤為重要。

目前，在使用和設(shè)計(jì)IGBT的過程中，基本上都是采用粗放式的設(shè)計(jì)模式——所需余量較大，系統(tǒng)龐大，但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統(tǒng)引起的各種失效問題。瞬雷電子公司利用在半導(dǎo)體領(lǐng)域的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合瞬態(tài)抑制二極管的特點(diǎn)，在研究IGBT失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過整合系統(tǒng)內(nèi)外部來突破設(shè)計(jì)瓶頸。本文將突破傳統(tǒng)的保護(hù)方式，探討IGBT系統(tǒng)電路保護(hù)設(shè)計(jì)的解決方案。

IGBT失效場(chǎng)合：來自系統(tǒng)內(nèi)部，如電力系統(tǒng)分布的雜散電感、電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、負(fù)載突變都會(huì)引起過電壓和過電流;來自系統(tǒng)外部，如電網(wǎng)波動(dòng)、電力線感應(yīng)、浪涌等。歸根結(jié)底，IGBT失效主要是由集電極和發(fā)射極的過壓/過流和柵極的過壓/過流引起。

IGBT失效機(jī)理：IGBT由于上述原因發(fā)生短路，將產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流——在關(guān)斷時(shí)電流變化率di/dt過大。漏感及引線電感的存在，將導(dǎo)致IGBT集電極過電壓，而在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)，使IGBT鎖定失效。同時(shí)，較高的過電壓會(huì)使IGBT擊穿。IGBT由于上述原因進(jìn)入放大區(qū)， 使管子開關(guān)損耗增大。

IGBT傳統(tǒng)防失效機(jī)理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量，以此來減小關(guān)斷過電壓;在集電極和發(fā)射極之間，放置續(xù)流二極管，并接RC電路和RCD電路等;在柵極，根據(jù)電路容量合理選擇串接阻抗，并接穩(wěn)壓二極管防止柵極過電壓。

引起IGBT失效的原因

1、過熱容易損壞集電極，電流過大引起的瞬時(shí)過熱及其主要原因，是因散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)過熱均會(huì)使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路 ，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過硅本征溫度，器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，一般最高允許的工作溫度為125℃左右。

2、超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞。擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN 4層結(jié)構(gòu)，因體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管，當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí)，則能使寄生晶閘管導(dǎo)通，門極失去控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，產(chǎn)生過高功耗，導(dǎo)致器件失效。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，也能造成寄生晶閘管自鎖。

3、瞬態(tài)過電流IGBT在運(yùn)行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過電流雖然持續(xù)時(shí)間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負(fù)擔(dān)，也可能會(huì)導(dǎo)致IGBT失效 。

4、過電壓造成集電極、發(fā)射極擊穿或造成柵極、發(fā)射極擊穿。

IGBT保護(hù)方法

當(dāng)過流情況出現(xiàn)時(shí)，IGBT必須維持在短路安全工作區(qū)內(nèi)。IGBT承受短路的時(shí)間與電源電壓、柵極驅(qū)動(dòng)電壓以及結(jié)溫有密切關(guān)系。為了防止由于短路故障造成IGBT損壞，必須有完善的檢測(cè)與保護(hù)環(huán)節(jié)。一般的檢測(cè)方法分為電流傳感器和IGBT欠飽和式保護(hù)。

1、立即關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)

在逆變電源的負(fù)載過大或輸出短路的情況下，通過逆變橋輸入直流母線上的電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)電流值超過設(shè)定的閾值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作封鎖所有橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種保護(hù)方法最直接，但吸收電路和箝位電路必須經(jīng)特別設(shè)計(jì)，使其適用于短路情況。這種方法的缺點(diǎn)是會(huì)造成IGBT關(guān)斷時(shí)承受應(yīng)力過大，特別是在關(guān)斷感性超大電流時(shí)， 必須注意擎住效應(yīng)。

2、先減小柵壓后關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)

IGBT的短路電流和柵壓有密切關(guān)系，柵壓越高，短路時(shí)電流就越大。在短路或瞬態(tài)過流情況下若能在瞬間將vGS分步減少或斜坡減少，這樣短路電流便會(huì)減小下來，長(zhǎng)允許過流時(shí)間。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，di/dt也減小。限制過電流幅值。