1 IGBT的工作原理

　　IGBT的等效電路如圖1所示。

　　從圖1可以看出，如果在IGBT的柵極和發射極之間加一個正的驅動電壓，MOSFET就會導通，這樣PNP晶體管的集電極和基極就會處于低阻狀態，晶體管就會導通。如果IGBT的柵極和發射極之間的電壓為0V，則MOSFET關斷，從而切斷PNP晶體管基極電流的供給，使晶體管截止。

　　因此，IGBT的安全性和可靠性主要由以下因素決定:

　　——IGBT柵極和發射極之間的電壓；

　　——IGBT的集電極和發射極之間的電壓；

　　-流經IGBT集電極-發射極的電流；

　　——IGBT的結溫。

　　如果IGBT的柵極和發射極之間的電壓太低，即驅動電壓太低，IGBT就不能穩定正常地工作，如果太高，IGBT就可能損壞。同樣，如果加在IGBT集電極和發射極上的允許電壓超過了集電極和發射極之間的耐壓，流過IGBT集電極和發射極的電流超過了集電極和發射極的允許電流，IGBT的結溫超過了其結溫的允許值，IGBT就可能損壞。

　　2保護措施

　　在設計電路時，應針對影響IGBT可靠性的因素采取相應的保護措施。

　　2.1 IGBT門保護

　　IGBT的柵極-發射極驅動電壓VGE的保證值是20V。如果超過保證值的電壓加在它的柵極和發射極之間，IGBT可能會損壞。因此，應該在IGBT的驅動電路中設置柵極電壓限制器電路。另外，如果IGBT的柵極和發射極之間存在開路，在集電極和發射極之間施加電壓，隨著集電極電位的變化，由于柵極和集電極與發射極之間寄生電容的存在，柵極電位上升，集電極-發射極電流流動。此時，如果集電極和發射極處于高壓狀態，IGBT可能被加熱甚至損壞。如果在運輸或振動過程中斷開電網電路，并且在沒有注意到的情況下將電壓施加到主電路，則可能會損壞IGBT。為了防止這種情況發生， IGBT的柵極和發射極之間要并聯一個幾十kω的電阻，盡量靠近柵極和發射極。如圖2所示。

　　由于IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的復合體，特別是它的柵極是MOS結構，除了上述應有的保護外，IGBT和其他MOS結構的器件一樣，對靜態電壓也非常敏感，所以在組裝和焊接IGBT時，還必須注意以下事項:

　　——用手觸摸IGBT前，應先將人體上的靜電放電后再操作，盡量不要觸摸模塊的驅動端子部分。觸摸時，要保證此時人體上的靜電已經全部放電；

　　-在焊接操作過程中，為了防止靜電損壞IGBT，焊機必須可靠接地。

　　2.2集電極和發射極之間的過壓保護

　　過電壓主要發生在兩種情況，一種是施加在IGBT集電極和發射極之間的DC電壓過高，另一種是集電極和發射極上的浪涌電壓過高。

　　DC過電壓

　　DC過電壓的原因是輸入交流電源或IGBT前端輸入異常。解決方法是在選擇IGBT時進行降額設計；此外，當檢測到過壓時，IGBT的輸入可以被切斷，以確保IGBT的安全。

　　浪涌電壓保護

　　由于電路中分布電感的存在和IGBT的高開關速度，當IGBT關斷，并聯的反向恢復二極管反向時，會產生較大的浪涌電壓Ldi/dt，威脅IGBT的安全。

　　通常，IGBT的浪涌電壓波形如圖3所示。

　　圖中:vCE是IGBT？電極和發射器之間的電壓波形；

　　Ic是IGBT的集電極電流；

　　Ud是輸入到IGBT的DC電壓；

　　Vcesp = ud+ldic/dt，即浪涌電壓的峰值。

　　如果VCESP超過IGBT的集電極-發射極耐壓VCES，可能會損壞IGBT。解決方案主要包括:

　　——選擇IGBT時考慮設計余量；

　　-在電路設計中調整IGBT驅動電路的Rg，使di/dt盡可能??；

　　-在盡可能靠近IGBT的地方安裝電解電容器，以減少分布電感；

　　-根據情況安裝緩沖保護電路，以旁路高頻浪涌電壓。

　　由于緩沖保護電路在IGBT的安全運行中起著重要的作用，這里介紹緩沖保護電路的類型和特點。

　　——C緩沖電路如圖4(a)所示，采用薄膜電容，安裝在IGBT附近。其特點是電路簡單。其缺點是LC諧振電路由分布電感和緩沖電容組成，容易產生電壓振蕩，IGBT開通時集電極電流大。

　　——RC緩沖電路如圖4(b)所示，特點是適用于斬波電路。但使用大容量IGBT時，必須增加緩沖電阻值，否則導通時集電極電流過大，限制了IGBT的作用。

　　-RCD緩沖電路如圖4(c)所示。與RC緩沖電路相比，其特點是增加緩沖二極管，增加緩沖電阻，從而避免了IGBT功能在開啟時被阻斷的問題。

　　緩沖電路中緩沖電阻引起的損耗如下

　　P = li2f+cud2f其中:l為主電路中的分布電感；

　　I是IGBT關斷時的集電極電流；

　　f是IGBT的開關頻率；

　　c是緩沖電容；

　　Ud是DC電壓值。

　　——放電阻斷緩沖電路如圖4(d)所示。與RCD緩沖電路相比，它的特點是損耗小，適用于高頻開關。

　　緩沖電路中緩沖電阻上產生的損耗如下

　　P=1/2LI2f+1/2CUf

　　根據實際情況，選擇合適的緩沖保護電路來抑制關斷浪涌電壓。組裝時，主電路和緩沖電路的分布電感要盡量減小，布線越短越粗越好。

　　2.3集電極電流過流保護

　　IGBT的過流保護主要有三種方法。

　　2.3.1用電阻或電流互感器檢測過電流進行保護。

　　如圖5(a)和5(b)所示，電阻器或電流互感器可以與IGBT串聯連接，以檢測流經IGBT集電極的電流。當出現過電流時，控制執行器斷開IGBT的輸入，從而保護IGBT。

　　2.3.2過電流由IGBT VCE(sat)檢測保護。

　　如圖5(c)所示，因為VCE(sat)=IcRCE(sat)，當Ic增加時，VCE(sat)也增加。如果柵極電壓處于高電平并且VCE為高，則此時會發生過電流。此時，與門輸出高電平，輸出過流信號，控制執行器斷開IGBT的輸入，保護IGBT。

　　2.3.3檢測保護用負荷電流。

　　這種方法與圖5(a)中的檢測方法基本相同，但圖5(a)是直接法，是間接法，如圖5(d)所示。如果負載短路或負載電流增加，也可能增加前一級IGBT的集電極電流，導致IGBT損壞。負載(或IGBT回路)檢測到異常后，控制執行機構切斷IGBT的輸入，達到保護的目的。

　　2.4過熱保護

　　一般流過IGBT的電流大，開關頻率高，所以器件的損耗也大。如果熱量不能及時散發，導致器件Tj的結溫超過Tjmax，IGBT可能會損壞。

　　IGBT的功耗包括穩態功耗和動態功耗，其動態功耗包括開啟功耗和關閉功耗。在熱設計上，不僅要保證正常工作時能充分散熱，還要保證短時間過載時IGBT的結溫不超過Tjmax。

　　當然，由于設備尺寸和重量的限制，以及性價比的考慮，冷卻系統不可能無限擴展?？梢栽贗GBT附近安裝一個溫度繼電器來檢測IGBT的工作溫度?？刂茍绦袡C構在異常情況下切斷IGBT的輸入，以保護其安全。

　　此外，在散熱器上安裝和固定IGBT時，應注意以下事項:

　　-由于熱阻隨IGBT的安裝位置而變化，如果散熱器上只安裝一個IGBT，則應安裝在中間，使熱阻；當需要安裝幾個igbt時，應根據每個IGBT的發熱情況預留相應的空間；

　　——使用有線條的暖氣片時，IGBT較寬的方向要順著暖氣片的線條，以減少暖氣片的變形；

　　-散熱器安裝面的光滑度應≤ 10μ m，如果散熱器表面不平整，散熱器與器件的接觸熱阻會大大增加，甚至會在IGBT模具與管殼之間的基板上產生很大的張力，損壞IGBT的絕緣層。

　　——為了降低接觸熱阻，在散熱器和IGBT模塊之間涂抹導熱硅脂。

　　3結論

　　使用IGBT時，應根據實際情況采取相應的防護措施。只要在過壓、過流、過熱等方面采取有效的保護措施，在實際應用中可以取得良好的效果，IGBT可以安全可靠地工作。