IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)是一種用MOS來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、導通電阻小等特點,，因而廣泛應用在變頻器的逆變電路中,。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會使它損壞,。為此,，必須但對IGBT進行相關保護。

　　過流保護

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

　　對IGBT的過流檢測保護分兩種情況：

　　(1) 驅動電路中無保護功能,。這時在主電路中要設置過流檢測器件。對于小容量變頻器，一般是把電阻R直接串接在主電路中,，如圖1(a)所示,，通過電阻兩端的電壓來反映電流的大小;對于大中容量變頻器，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IGBT上,，如圖1(b)所示,。前者只用一個電流互感器檢測流過IGBT的總電流，經(jīng)濟簡單,，但檢測精度較差;后者直接反映每個IGBT的電流,，測量精度高，但需6個電流互感器,。過電流檢測出來的電流信號,，經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號，從而關斷IGBT的觸發(fā),，實現(xiàn)過流保護,。

　　圖1 ：IGBT的過流檢測

　　(2) 驅動電路中設有保護功能。如日本英達公司的HR065,、富士電機的EXB840～844,、三菱公司的M57962L等，是集驅動與保護功能于一體的集成電路(稱為混合驅動模塊),，其電流檢測是利用在某一正向柵壓 Uge下,，正向導通管壓降Uce(ON)與集電極電流Ie成正比的特性，通過檢測Uce(ON)的大小來判斷Ie的大小,，產(chǎn)品的可靠性高,。不同型號的混合驅動模塊，其輸出能力,、開關速度與du/dt的承受能力不同,，使用時要根據(jù)實際情況恰當選用。

　　由于混合驅動模塊本身的過流保護臨界電壓動作值是固定的(一般為7～10V),，因而存在著一個與IGBT配合的問題,。通常采用的方法是調整串聯(lián)在 IGBT集電極與驅動模塊之間的二極管V的個數(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動模塊過流保護動作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce(ON)之差,。

　　圖2： 混合驅動模塊與IGBT過流保護的配合

　　上述用改變二極管的個數(shù)來調整過流保護動作點的方法，雖然簡單實用,，但精度不高,。這是因為每個二極管的通態(tài)壓降為固定值,，使得驅動模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調。在實際工作中,，改進方法有兩種：

　　(1)改變二極管的型號與個數(shù)相結合,。例如，IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V,，驅動模塊過流保護臨界動作電壓值為 7.84V時,，那么整個二極管上的通態(tài)壓降之和應為7.84-2.65=5.19V，此時選用7個硅二極管與1個鍺二極管串聯(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)，則能較好地實現(xiàn)配合(2)二極管與電阻相結合,。由于二極管通態(tài)壓降的差異性,，上述改進方法很難精確設定IGBT過流保護的臨界動作電壓值 如果用電阻取代1～2個二極管，如圖2(b),，則可做到精確配合,。

　　另外，由于同一橋臂上的兩個IGBT的控制信號重疊或開關器件本身延時過長等原因,，使上下兩個IGBT直通,，橋臂短路，此時電流的上升率和浪涌沖擊電流都很大,，極易損壞IGBT 為此，還可以設置橋臂互鎖保護,，如圖3所示,。圖中用兩個與門對同一橋臂上的兩個IGBT的驅動信號進行互鎖，使每個IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個 IGBT驅動信號可否通過的制約條件,，只有在一個IGBT被確認關斷后,，另一個IGBT才能導通，這樣嚴格防止了臂橋短路引起過流情況的出現(xiàn),。

　　圖3： IGBT橋臂直通短路保護

　　過壓保護

　　IGBT在由導通狀態(tài)關斷時,，電流Ic突然變小，由于電路中的雜散電感與負載電感的作用,，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的耐過壓能力較差,，這樣就會使IGBT擊穿,，因此，其過壓保護也是十分重要的,。過壓保護可以從以下幾個方面進行：

　　(1) 盡可能減少電路中的雜散電感,。作為模塊設計制造者來說,，要優(yōu)化模塊內部結構(如采用分層電路、縮小有效回路面積等),，減少寄生電感;作為使用者來說,，要優(yōu)化主電路結構(采用分層布線、盡量縮短聯(lián)接線等),，減少雜散電感,。另外，在整個線路上多加一些低阻低感的退耦電容,，進一步減少線路電感,。所有這些，對于直接減少IGBT的關斷過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IGBT關斷時，吸收電感中釋放的能量,，以降低關斷過電壓,。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。對于電路中元件的選用,，在實際工作中,，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，對浪涌尖峰電壓的抑制好一些,，但過大會受到放電時間的限制,。電阻R選用氧化膜無感電阻，其阻值的確定要滿足放電時間明顯小于主電路開關周期的要求,，可按R≤T/6C計算,，T為主電路的開關周期。二極管V應選用正向過渡電壓低,、逆向恢復時間短的軟特性緩沖二極管,。

　　(3) 適當增大柵極電阻Rg。實踐證明,，Rg增大,，使IGBT的開關速度減慢，能明顯減少開關過電壓尖峰,，但相應的增加了開關損耗,，使IGBT發(fā)熱增多,，要配合進行過熱保護。Rg阻值的選擇原則是：在開關損耗不太大的情況下,，盡可能選用較大的電阻,，實際工作中按Rg=3000/Ic 選取。

　　圖4：吸收回路

　　除了上述減少c,、e之間的過電壓之外,，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之間設置一些保護元件，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

　　過熱保護

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

　　散熱一般是采用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器),，并可進行強迫風冷。散熱器的結構設計應滿足：Tj=P△(Rjc+Rcs+Rsa)《Tjm　　式中Tj-IGBT的

　　工作結溫

　　P△-損耗功率

　　Rjc-結-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的最高結溫

　　在實際工作中,，我們采用普通散熱器與強迫風冷相結合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關,。當溫度達到75℃～80℃時,，通過 SG3525的關閉信號停止PMW 發(fā)送控制信號，從而使驅動器封鎖IGBT的開關輸出,，并予以關斷保護,。