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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超出保证值的电压,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超出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超过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的结温也不超过Tjmax.
当然,受设备的体积和重量等的限制以及性价比的考虑,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zui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,在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂.
3结语
在应用IGBT时应根据实际情况,采取相应的保护措施.只要在过压、过流、过热等几个方面都采取有效的保护措施后,在实际应用中均能够取得良好的效果,保证IGBT安全可靠地工作.
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