IGBT绝缘栅双极型晶体管是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它结合功率MOSFET的工艺技术,将功率MOSFET和功率管GTR集成在同一个芯片中。该器件具有开关频率高、输入阻抗较大、热稳定性好、驱动电路简单、低饱和电压及大电流等特性,被作为功率器件广泛应用于工业控制、电力电子系统等领域(例如:伺服电机的调速、变频电源)。为使我们设计的系统能够更安全、更可靠的工作,对IGBT的保护显得尤为重要。
目前,在使用和设计IGBT的过程中,基本上都是采用粗放式的设计模式——所需余量较大,系统庞大,但仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。瞬雷电子公司利用在半导体领域的生产和设计优势,结合瞬态抑制二极管的特点,在研究IGBT失效机理的基础上,通过整合系统内外部来突破设计瓶颈。本文将突破传统的保护方式,探讨IGBT系统电路保护设计的解决方案。
IGBT失效场合:来自系统内部,如电力系统分布的杂散电感、电机感应电动势、负载突变都会引起过电压和过电流;来自系统外部,如电网波动、电力线感应、浪涌等。归根结底,IGBT失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。
IGBT失效机理:IGBT由于上述原因发生短路,将产生很大的瞬态电流——在关断时电流变化率di/dt过大。漏感及引线电感的存在,将导致IGBT集电极过电压,而在器件内部产生擎住效应,使IGBT锁定失效。同时,较高的过电压会使IGBT击穿。IGBT由于上述原因进入放大区, 使管子开关损耗增大。
IGBT传统防失效机理:尽量减少主电路的布线电感量和电容量,以此来减小关断过电压;在集电极和发射极之间,放置续流二极管,并接RC电路和RCD电路等;在栅极,根据电路容量合理选择串接阻抗,并接稳压二极管防止栅极过电压。
IGBT失效防护
1. 集电极过电压、过电流防护,以IGBT变频调速电源主电路为例(图1)。
在集电极和发射极之间并接RC滤波电路,可有效地抑制关断过电压和开关损耗。但在实际应用中,由于DC电源前端的浪涌突波会使集电极过电压,并使RC滤波电路部分的抑制效果生效,IGBT通常都会被击穿或者短路。另外,在电机起动时,由于起动时的大电流,在主线路中分布的电感亦会造成较大程度的感应过电压,使IGBT损坏。同时,电机励磁造成的感应电动势,对电路的破坏也相当地大——工程师们经常没有考虑到这一点。
|