中心議題：

• IGBT的工作原理及損壞機製
• IGBT的保護措施

解決方案：

• IGBT柵極的保護
• IGBT集電極與發射極間的過壓保護
• IGBT集電極電流過流保護
• IGBT的過熱保護

絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管複合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，因此
，可以把其看作是MOS輸入的達林頓管。它融和了這兩種器件的優點
，既具有MOSFET器件驅動簡單和快速的優點，又具有雙極型器件容量大的優點，因而，在現代電力電子技術中得到了越來越廣泛的應用。

在中大功率的開關電源裝置中
，IGBT由於其控製驅動電路簡單、工作頻率較高、容量較大的特點
，已逐步取代晶閘管或GTO。但是在開關電源裝置中，由於它工作在高頻與高電壓
、大電流的條件下
，使得它容易損壞，另外，電源作為係統的前級
，由於受電網波動、雷擊等原因的影響使得它所承受的應力更大，故IGBT的可靠性直接關係到電源的可靠性。因而
，在選擇IGBT時除了要作降額考慮外，對IGBT的保護設計也是電源設計時需要重點考慮的一個環節。

1 IGBT的工作原理

IGBT的等效電路如圖1所示。由圖1可知，若在IGBT的柵極和發射極之間加上驅動正電壓，則MOSFET導通
，這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態而使得晶體管導通
；若IGBT的柵極和發射極之間電壓為0V，則MOSFET截止，切斷PNP晶體管基極電流的供給，使得晶體管截止。

圖1 IGBT的等效電路

由此可知，IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定：
（1）IGBT柵極與發射極之間的電壓；
（2）IGBT集電極與發射極之間的電壓；
（3）流過IGBT集電極－發射極的電流；
（4）IGBT的結溫

如果IGBT柵極與發射極之間的電壓，即驅動電壓過低，則IGBT不能穩定正常地工作，如果過高超過柵極－發射極之間的耐壓則IGBT可能永久性損壞
；同樣
，如果加在IGBT集電極與發射極允許的電壓超過集電極－發射極之間的耐壓
，流過IGBT集電極－發射極的電流超過集電極－發射極允許的最大電流
，IGBT的結溫超過其結溫的允許值

，IGBT都可能會永久性損壞。

2 保護措施

在進行電路設計時
，應針對影響IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相應的保護措施。

2.1  IGBT柵極的保護

IGBT的柵極－發射極驅動電壓VGE的保證值為±20V，如果在它的柵極與發射極之間加上超出保證值的電壓
，則可能會損壞IGBT

，因此，在IGBT的驅動電路中應當設置柵壓限幅電路。另外，若IGBTdezhajiyufashejijiankailu，erzaiqijidianjiyufashejizhijianjiashangdianya，zesuizhejidianjidianweidebianhua，youyuzhajiyujidianjihefashejizhijianjishengdianrongdecunzai，shidezhajidianweishenggao，jidianji－發射極有電流流過。這時若集電極和發射極間處於高壓狀態時
，可能會使IGBT發熱甚至損壞。如果設備在運輸或振動過程中使得柵極回路斷開，在不被察覺的情況下給主電路加上電壓，則IGBT就可能會損壞。為防止此類情況發生
，應在IGBT的柵極與發射極間並接一隻幾十kΩ的電阻，此電阻應盡量靠近柵極與發射極。如圖2所示。

圖2 柵極保護電路

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由於IGBT是功率MOSFET和PNP雙極晶體管的複合體


，特別是其柵極為MOS結構，因此除了上述應有的保護之外，就像其他MOS結構器件一樣，IGBT對於靜電壓也是十分敏感的
，故而對IGBT進行裝配焊接作業時也必須注意以下事項：
（1）在需要用手接觸IGBT前(qian)
，應(ying)先(xian)將(jiang)人(ren)體(ti)上(shang)的(de)靜(jing)電(dian)放(fang)電(dian)後(hou)再(zai)進(jin)行(xing)操(cao)作(zuo)，並(bing)盡(jin)量(liang)不(bu)要(yao)接(jie)觸(chu)模(mo)塊(kuai)的(de)驅(qu)動(dong)端(duan)子(zi)部(bu)分(fen)，必(bi)須(xu)接(jie)觸(chu)時(shi)要(yao)保(bao)證(zheng)此(ci)時(shi)人(ren)體(ti)上(shang)所(suo)帶(dai)的(de)靜(jing)電(dian)已(yi)全(quan)部(bu)放(fang)掉(diao)
；
（2）在焊接作業時，為了防止靜電可能損壞IGBT，焊機一定要可靠地接地。

2.2  集電極與發射極間的過壓保護

過電壓的產生主要有兩種情況
，一種是施加到IGBT集電極－發射極間的直流電壓過高，另一種為集電極－發射極上的浪湧電壓過高。

2.2.1 直流過電壓

直流過壓產生的原因是由於輸入交流電源或IGBT的前一級輸入發生異常所致。解決的辦法是在選取IGBT時，進行降額設計；另外

，可在檢測出這一過壓時分斷IGBT的輸入，保證IGBT的安全。

2.2.2 浪湧電壓的保護

因為電路中分布電感的存在
，加之IGBT的開關速度較高，當IGBT關斷時及與之並接的反向恢複二極管逆向恢複時，就會產生很大的浪湧電壓Ldi/dt，威脅IGBT的安全。

通常IGBT的浪湧電壓波形如圖3所示。

圖中：V_CE為IGBT集電極－發射極間的電壓波形
；i_c為IGBT的集電極電流
；U_d為輸入IGBT的直流電壓；V_CESP=U_d＋Ldi_c/dt,為浪湧電壓峰值。

如果V_CESP超出IGBT的集電極－發射極間耐壓值V_CES，就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有：
（1）在選取IGBT時考慮設計裕量
；
（2）在電路設計時調整IGBT驅動電路的Rg，使di/dt盡可能小；
（3）盡量將電解電容靠近IGBT安裝，以減小分布電感
；
（4）根據情況加裝緩衝保護電路
，旁路高頻浪湧電壓

由於緩衝保護電路對IGBT的安全工作起著很重要的作用，在此將緩衝保護電路的類型和特點作一介紹。

圖4 緩衝保護電路

（1）C緩衝電路如圖4(a)所示，采用薄膜電容
，靠近IGBT安裝
，其特點是電路簡單，其缺點是由分布電感及緩衝電容構成LC諧振電路，易產生電壓振蕩，而且IGBT開通時集電極電流較大。
（2）RC緩衝電路如圖4(b)所示
，其特點是適合於斬波電路，但在使用大容量IGBT時
，必須使緩衝電阻值增大
，否則，開通時集電極電流過大，使IGBT功能受到一定限製。
（3）RCD緩衝電路如圖4(c)所示，與RC緩衝電路相比其特點是
，增加了緩衝二極管從而使緩衝電阻增大
，避開了開通時IGBT功能受阻的問題。該緩衝電路中緩衝電阻產生的損耗為： ，式中：L為主電路中的分布電感
；I為IGBT關斷時的集電極電流
；f為IGBT的開關頻率；C為緩衝電容；U_d為直流電壓值。
（4）放電阻止型緩衝電路如圖4(d)所示，與RCD緩衝電路相比其特點是
，產生的損耗小，適合於高頻開關。在該緩衝電路中緩衝電阻上產生的損耗為：

genjushijiqingkuangxuanqushidangdehuanchongbaohudianlu，yizhiguanduanlangyongdianya。zaijinxingzhuangpeishi，yaojinliangjiangdizhudianluhehuanchongdianludefenbudiangan，jiexianyueduanyuecuyuehao。  
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2.3  集電極電流過流保護

對IGBT的過流保護，主要有3種方法。

圖5 集電極過流保護電路

2.3.1 用電阻或電流互感器檢測過流進行保護

如圖5（a）及圖5（b）所示
，可以用電阻或電流互感器與IGBT串聯
，檢測流過IGBT集電極的電流。當有過流情況發生時，控製執行機構斷開IGBT的輸入，達到保護IGBT的目的。

2.3.2 由IGBT的VCE(sat)檢測過流進行保護

如圖5（c）所示，因VCE(sat)=IcRCE(sat)，當Ic增大時
，VCE(sat)也隨之增大


，若柵極電壓為高電平，而VCE為高，則此時就有過流情況發生
，此時與門輸出高電平
，將過流信號輸出，控製執行機構斷開IGBT的輸入，保護IGBT。

2.3.3 檢測負載電流進行保護

此方法與圖5（a）中的檢測方法基本相同，但圖5（a）屬直接法，此屬間接法，如圖5（d）所示。若負載短路或負載電流加大時，也可能使前級的IGBT的集電極電流增大，導致IGBT損壞。由負載處（或IGBT的後一級電路）檢測到異常後

，控製執行機構切斷IGBT的輸入，達到保護的目的。

2.4  過熱保護

一般情況下流過IGBT的電流較大，開關頻率較高
，故而器件的損耗也比較大，如果熱量不能及時散掉，使得器件的結溫T_j超過T_jmax，則IGBT可能損壞。

IGBT的(de)功(gong)耗(hao)包(bao)括(kuo)穩(wen)態(tai)功(gong)耗(hao)和(he)動(dong)態(tai)動(dong)耗(hao)
，其(qi)動(dong)態(tai)功(gong)耗(hao)又(you)包(bao)括(kuo)開(kai)通(tong)功(gong)耗(hao)和(he)關(guan)斷(duan)功(gong)耗(hao)。在(zai)進(jin)行(xing)熱(re)設(she)計(ji)時(shi)
，不(bu)僅(jin)要(yao)保(bao)證(zheng)其(qi)在(zai)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)能(neng)夠(gou)充(chong)分(fen)散(san)熱(re)，而(er)且(qie)還(hai)要(yao)保(bao)證(zheng)其(qi)在(zai)發(fa)生(sheng)短(duan)時(shi)過(guo)載(zai)時(shi)，IGBT的結溫也不超過T_jmax

當然
，受設備的體積和重量等的限製以及性價比的考慮，散熱係統也不可能無限製地擴大。可在靠近IGBT處加裝一溫度繼電器等，檢測IGBT的工作溫度。控製執行機構在發生異常時切斷IGBT的輸入，保護其安全。    除此之外，將IGBT往散熱器上安裝固定時應注意以下事項：
（1）由於熱阻隨IGBT安裝位置的不同而不同，因此，若在散熱器上僅安裝一個IGBT時，應將其安裝在正中間，以便使得熱阻最小；當要安裝幾個IGBT時，應根據每個IGBT的發熱情況留出相應的空間；
（2）使用帶紋路的散熱器時，應將IGBT較寬的方向順著散熱器的紋路，以減少散熱器的變形；
（3）散熱器的安裝表麵光潔度應≤10μm
，如果散熱器的表麵不平，將大大增加散熱器與器件的接觸熱阻，甚至在IGBT的管芯和管殼之間的襯底上產生很大的張力，損壞IGBT的絕緣層
（4）為了減少接觸熱阻
，最好在散熱器與IGBT模塊間塗抹導熱矽脂。

3 結語

在應用IGBT時應根據實際情況，采取相應的保護措施。隻要在過壓、過流、過熱等幾個方麵都采取有效的保護措施後，在實際應用中均能夠取得良好的效果，保證IGBT安全可靠地工作。