IGBT保护设计

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在小家电应用中以电磁炉用量最为广泛，而在电磁炉技术中，IGBT作为电磁炉的心脏，对IGBT的应用技术，是决定电磁炉的质量的关键，本文针对IGBT工作原理对其过压保护问题提出几种简单的保护方法。

1.IGBT的工作原理

IGBT的等效电路如图1所示。

由图1可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。

由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定： ——IGBT栅极与发射极之间的电压； ——IGBT集电极与发射极之间的电压；

——流过IGBT集电极－发射极的电流； ——IGBT的结温。

如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高超过栅极－发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极－发射极之间的耐压，流过IGBT集电极－发射极的电流超过集电极－发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。

2.保护措施

在进行电路设计时，应针对影响IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相应的保护措施,本文主要介绍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。

2.1 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 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（关断浪涌电压），威胁IGBT的安全。

通常IGBT的浪涌电压波形如图2所示。

图2图中：VCE为IGBT电极－发射极间的正常电压波形； ic为IGBT的集电极电流； Ud为输入IGBT的直流电压；

VCESP=Ud＋Ldi/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：

1）.在选取IGBT时考虑设计裕量；

2）.在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg，使di/dt尽可能小； 3）.尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感； 4）.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，介绍几种缓冲保护电路的类型和特点

C缓冲电路如图3（A）所示对关断浪涌电压有抑制效果，采用高频性能良好的薄膜电容，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3（B）所示对关断浪涌电压有抑制效果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，由于缓冲电路的损耗大，不太适合高频用途。

充放电型RCD缓冲电路如图3（C）所示对关断浪涌秒电压有抑制效果，与RC缓冲电路不同，由于外加了缓冲二级管，缓冲电阻值能够变大，能够回避开通时IGBT的负担问题，缓冲电路中的损耗比较大，因此不适用于高频交换用途。

放电阻止型缓冲电路如图3（D）所示对关断浪涌电压有抑制效果，最适合高频交换用途，缓冲电路发生的损耗少。

下面就作为最合理的IGBT的缓冲电路的放电电阻型缓冲电路的基本设计方法进行说明：

1）.缓冲电容的（Cs）的电容值的求法：

Cs=（L-I02）/（VCEP-Ed）2

L：主电路的寄生电感

I0：IGBT关断时的集电极电流

VCEP：缓冲电容器电压的最终到达值 Ed：直流电源电压

2）.放电电阻（Rs）的值的求法

缓冲电阻要求的机能是在IGBT下一次关断动作运行前，将存储在缓冲电容器中的电荷放电。在IGBT在进行下一次断开动作前，将存储电荷的90%放电的条件，求取缓冲电阻的方法如下： Rs≤1/2.3Csƒ ƒ：交换频率

缓冲电阻值如果设定过低，由于缓冲电路的电流振荡，IGBT开通时的集电极电流峰值也增加，请在满足上式的范围设定为高值。

缓冲电阻发生的损耗P（Rs）与电阻无关，P（Rs）=L I02 ƒ/2 3）.缓冲二极管的选定

缓冲二极管的瞬态正向电压下降是关断时发生尖峰电压的原因之一。另外，一旦缓冲二极管的反向恢复时间加长，高频交换动作时缓冲二极管的反向恢复急剧，并且缓冲二极管的反向恢复使的IGBT的C-E间电压急剧地大幅度振荡，这就需要选择瞬态正向电压低，反向恢复时间短，反向恢复平顺的缓冲二极管。

现在市场上一般功率的电磁炉由于受成本控制的影响，并未考虑到IGBT的过压保护问题，在超大功率的电磁炉上基本上采用C缓冲保护的方法来保护IGBT过压问题。增加IGBT过压保护能很好的提高电磁炉的可靠性，减少炸机，并且有很好的抗干扰吸收作用，在EMC的角度来讲IGBT的通断带来的反向脉冲电压是EMI中传导干扰的主要干扰源，在设计上来控制的干扰源，是解决EMC方面问题的最佳选择。

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，能很好的提高产品的质量稳定性。