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從過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱三方面講述IGBT保護(hù)電路如何設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2013-01-05 責(zé)任編輯:easonxu

【導(dǎo)讀】本文從過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)與過(guò)熱保護(hù)三個(gè)方面,論述了IGBT的相關(guān)問(wèn)題,并從實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)出各種保護(hù)方法,這些方法實(shí)用性強(qiáng),保護(hù)效果好,是IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)必備知識(shí)。


IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)是一種用MOS來(lái)控制晶體管的新型電力電子器件,具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過(guò)流能力與耐過(guò)壓能力較差,一旦出現(xiàn)意外就會(huì)使它損壞。為此,必須但對(duì)IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。

過(guò)流保護(hù)

生產(chǎn)廠家對(duì)IGBT提供的安全工作區(qū)有嚴(yán)格的限制條件,且IGBT承受過(guò)電流的時(shí)間僅為幾微秒(SCR、GTR等器件承受過(guò)流時(shí)間為幾十微秒),耐過(guò)流量小,因此使用IGBT首要注意的是過(guò)流保護(hù)。產(chǎn)生過(guò)流的原因大致有:晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動(dòng)電路故障或干擾等引起誤動(dòng)、輸出線接錯(cuò)或絕緣損壞等形成短路、輸出端對(duì)地短路與電機(jī)絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等。

對(duì)IGBT的過(guò)流檢測(cè)保護(hù)分兩種情況:

(1) 驅(qū)動(dòng)電路中無(wú)保護(hù)功能。這時(shí)在主電路中要設(shè)置過(guò)流檢測(cè)器件。對(duì)于小容量變頻器,一般是把電阻R直接串接在主電路中,如圖1(a)所示,通過(guò)電阻兩端的電壓來(lái)反映電流的大?。粚?duì)于大中容量變頻器,因電流大,需用電流互感器TA(如霍爾傳感器等)。電流互感器所接位置:一是像串電阻那樣串接在主回路中,如圖1(a)中的虛線所示;二是串接在每個(gè)IGBT上,如圖1(b)所示。前者只用一個(gè)電流互感器檢測(cè)流過(guò)IGBT的總電流,經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單,但檢測(cè)精度較差;后者直接反映每個(gè)IGBT的電流,測(cè)量精度高,但需6個(gè)電流互感器。過(guò)電流檢測(cè)出來(lái)的電流信號(hào),經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號(hào),從而關(guān)斷IGBT的觸發(fā),實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

圖1 :IGBT的過(guò)流檢測(cè)
圖1 :IGBT的過(guò)流檢測(cè)

(2) 驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)有保護(hù)功能。如日本英達(dá)公司的HR065、富士電機(jī)的EXB840~844、三菱公司的M57962L等,是集驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能于一體的集成電路(稱為混合驅(qū)動(dòng)模塊),其電流檢測(cè)是利用在某一正向柵壓 Uge下,正向?qū)ü軌航礥ce(ON)與集電極電流Ie成正比的特性,通過(guò)檢測(cè)Uce(ON)的大小來(lái)判斷Ie的大小,產(chǎn)品的可靠性高。不同型號(hào)的混合驅(qū)動(dòng)模塊,其輸出能力、開(kāi)關(guān)速度與du/dt的承受能力不同,使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)選用。

由于混合驅(qū)動(dòng)模塊本身的過(guò)流保護(hù)臨界電壓動(dòng)作值是固定的(一般為7~10V),因而存在著一個(gè)與IGBT配合的問(wèn)題。通常采用的方法是調(diào)整串聯(lián)在 IGBT集電極與驅(qū)動(dòng)模塊之間的二極管V的個(gè)數(shù),如圖2(a)所示,使這些二極管的通態(tài)壓降之和等于或略大于驅(qū)動(dòng)模塊過(guò)流保護(hù)動(dòng)作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce(ON)之差。

圖2: 混合驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT過(guò)流保護(hù)的配合
圖2: 混合驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT過(guò)流保護(hù)的配合

上述用改變二極管的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)整過(guò)流保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)的方法,雖然簡(jiǎn)單實(shí)用,但精度不高。這是因?yàn)槊總€(gè)二極管的通態(tài)壓降為固定值,使得驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調(diào)。在實(shí)際工作中,改進(jìn)方法有兩種:

(1)改變二極管的型號(hào)與個(gè)數(shù)相結(jié)合。例如,IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V,驅(qū)動(dòng)模塊過(guò)流保護(hù)臨界動(dòng)作電壓值為 7.84V時(shí),那么整個(gè)二極管上的通態(tài)壓降之和應(yīng)為7.84-2.65=5.19V,此時(shí)選用7個(gè)硅二極管與1個(gè)鍺二極管串聯(lián),其通態(tài)壓降之和為 0.7×7+0.3×1=5.20V(硅管視為0.7V,鍺管視為0.3V),則能較好地實(shí)現(xiàn)配合(2)二極管與電阻相結(jié)合。由于二極管通態(tài)壓降的差異性,上述改進(jìn)方法很難精確設(shè)定IGBT過(guò)流保護(hù)的臨界動(dòng)作電壓值 如果用電阻取代1~2個(gè)二極管,如圖2(b),則可做到精確配合。

另外,由于同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的控制信號(hào)重疊或開(kāi)關(guān)器件本身延時(shí)過(guò)長(zhǎng)等原因,使上下兩個(gè)IGBT直通,橋臂短路,此時(shí)電流的上升率和浪涌沖擊電流都很大,極易損壞IGBT 為此,還可以設(shè)置橋臂互鎖保護(hù),如圖3所示。圖中用兩個(gè)與門對(duì)同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行互鎖,使每個(gè)IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個(gè) IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)可否通過(guò)的制約條件,只有在一個(gè)IGBT被確認(rèn)關(guān)斷后,另一個(gè)IGBT才能導(dǎo)通,這樣嚴(yán)格防止了臂橋短路引起過(guò)流情況的出現(xiàn)。

圖3: IGBT橋臂直通短路保護(hù)
圖3: IGBT橋臂直通短路保護(hù)

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過(guò)壓保護(hù)

IGBT在由導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷時(shí),電流Ic突然變小,由于電路中的雜散電感與負(fù)載電感的作用,將在IGBT的c、e兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓uce=L dic/dt,加之IGBT的耐過(guò)壓能力較差,這樣就會(huì)使IGBT擊穿,因此,其過(guò)壓保護(hù)也是十分重要的。過(guò)壓保護(hù)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:

(1) 盡可能減少電路中的雜散電感。作為模塊設(shè)計(jì)制造者來(lái)說(shuō),要優(yōu)化模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如采用分層電路、縮小有效回路面積等),減少寄生電感;作為使用者來(lái)說(shuō),要優(yōu)化主電路結(jié)構(gòu)(采用分層布線、盡量縮短聯(lián)接線等),減少雜散電感。另外,在整個(gè)線路上多加一些低阻低感的退耦電容,進(jìn)一步減少線路電感。所有這些,對(duì)于直接減少IGBT的關(guān)斷過(guò)電壓均有較好的效果。

(2) 采用吸收回路。吸收回路的作用是;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí),吸收電感中釋放的能量,以降低關(guān)斷過(guò)電壓。常用的吸收回路有兩種,如圖4所示。其中(a)圖為充放電吸收回路,(b)圖為鉗位式吸收回路。對(duì)于電路中元件的選用,在實(shí)際工作中,電容c選用高頻低感圈繞聚乙烯或聚丙烯電容,也可選用陶瓷電容,容量為2 F左右。電容量選得大一些,對(duì)浪涌尖峰電壓的抑制好一些,但過(guò)大會(huì)受到放電時(shí)間的限制。電阻R選用氧化膜無(wú)感電阻,其阻值的確定要滿足放電時(shí)間明顯小于主電路開(kāi)關(guān)周期的要求,可按R≤T/6C計(jì)算,T為主電路的開(kāi)關(guān)周期。二極管V應(yīng)選用正向過(guò)渡電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短的軟特性緩沖二極管。

(3) 適當(dāng)增大柵極電阻Rg。實(shí)踐證明,Rg增大,使IGBT的開(kāi)關(guān)速度減慢,能明顯減少開(kāi)關(guān)過(guò)電壓尖峰,但相應(yīng)的增加了開(kāi)關(guān)損耗,使IGBT發(fā)熱增多,要配合進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。Rg阻值的選擇原則是:在開(kāi)關(guān)損耗不太大的情況下,盡可能選用較大的電阻,實(shí)際工作中按Rg=3000/Ic 選取。

圖4:吸收回路
圖4:吸收回路
 

除了上述減少c、e之間的過(guò)電壓之外,為防止柵極電荷積累、柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞 IGBT,可在g、e之間設(shè)置一些保護(hù)元件,電路如圖5所示。電阻R的作用是使柵極積累電荷泄放,其阻值可取4.7kΩ;兩個(gè)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1、 V2。是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。

圖5: 防柵極電荷積累與柵源電壓尖峰的保護(hù)
圖5: 防柵極電荷積累與柵源電壓尖峰的保護(hù)

過(guò)熱保護(hù)

IGBT 的損耗功率主要包括開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗,前者隨開(kāi)關(guān)頻率的增高而增大,占整個(gè)損耗的主要部分;后者是IGBT控制的平均電流與電源電壓的乘積。由于IGBT是大功率半導(dǎo)體器件,損耗功率使其發(fā)熱較多(尤其是Rg選擇偏大時(shí)),加之IGBT的結(jié)溫不能超過(guò)125℃,不宜長(zhǎng)期工作在較高溫度下,因此要采取恰當(dāng)?shù)纳岽胧┻M(jìn)行過(guò)熱保護(hù)。

散熱一般是采用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器),并可進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足:Tj=P△(Rjc+Rcs+Rsa)《Tjm  式中Tj-IGBT的

工作結(jié)溫

  P△-損耗功率
  Rjc-結(jié)-殼熱阻vkZ電子資料網(wǎng)
  Rcs-殼-散熱器熱阻
  Rsa-散熱器-環(huán)境熱阻
  Tjm-IGBT的最高結(jié)溫

在實(shí)際工作中,我們采用普通散熱器與強(qiáng)迫風(fēng)冷相結(jié)合的措施,并在散熱器上安裝溫度開(kāi)關(guān)。當(dāng)溫度達(dá)到75℃~80℃時(shí),通過(guò) SG3525的關(guān)閉信號(hào)停止PMW 發(fā)送控制信號(hào),從而使驅(qū)動(dòng)器封鎖IGBT的開(kāi)關(guān)輸出,并予以關(guān)斷保護(hù)。
 

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