IGBT絕緣柵雙極型晶體管是一種典型的雙極MOS復合型功率器件,。它結合功率MOSFET的工藝技術,，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一個芯片中。該器件具有開關頻率高,、輸入阻抗較大,、熱穩(wěn)定性好、驅動電路簡單,、低飽和電壓及大電流等特性,，被作為功率器件廣泛應用于工業(yè)控制、電力電子系統等領域(例如：伺服電機的調速,、變頻電源),。為使我們設計的系統能夠更安全、更可靠的工作,，對IGBT的保護顯得尤為重要,。

　　目前，在使用和設計IGBT的過程中,，基本上都是采用粗放式的設計模式——所需余量較大,，系統龐大，但仍無法抵抗來自外界的干擾和自身系統引起的各種失效問題。瞬雷電子公司利用在半導體領域的生產和設計優(yōu)勢,，結合瞬態(tài)抑制二極管的特點,，在研究IGBT失效機理的基礎上，通過整合系統內外部來突破設計瓶頸,。本文將突破傳統的保護方式,，探討IGBT系統電路保護設計的解決方案。

　　IGBT失效場合：來自系統內部,，如電力系統分布的雜散電感,、電機感應電動勢、負載突變都會引起過電壓和過電流;來自系統外部,，如電網波動,、電力線感應、浪涌等,。歸根結底,，IGBT失效主要是由集電極和發(fā)射極的過壓/過流和柵極的過壓/過流引起。

　　IGBT失效機理：IGBT由于上述原因發(fā)生短路,，將產生很大的瞬態(tài)電流——在關斷時電流變化率di/dt過大,。漏感及引線電感的存在，將導致IGBT集電極過電壓,，而在器件內部產生擎住效應,，使IGBT鎖定失效。同時,，較高的過電壓會使IGBT擊穿,。IGBT由于上述原因進入放大區(qū), 使管子開關損耗增大。

　　IGBT傳統防失效機理：盡量減少主電路的布線電感量和電容量,，以此來減小關斷過電壓;在集電極和發(fā)射極之間,，放置續(xù)流二極管，并接RC電路和RCD電路等;在柵極,，根據電路容量合理選擇串接阻抗,，并接穩(wěn)壓二極管防止柵極過電壓。

　　IGBT失效防護

　　集電極過電壓,、過電流防護，以IGBT變頻調速電源主電路為例(圖1),。

　　在集電極和發(fā)射極之間并接RC濾波電路,，可有效地抑制關斷過電壓和開關損耗。但在實際應用中,，由于DC電源前端的浪涌突波會使集電極過電壓,，并使RC濾波電路部分的抑制效果生效，IGBT通常都會被擊穿或者短路,。另外,，在電機起動時,，由于起動時的大電流，在主線路中分布的電感亦會造成較大程度的感應過電壓,，使IGBT損壞,。同時，電機勵磁造成的感應電動勢,，對電路的破壞也相當地大——工程師們經常沒有考慮到這一點,。

　　圖1：IGBT變頻調速電源主電路

　　上述情況，浪涌突波部分可以用防雷電路進行防護,。瞬雷電子開發(fā)的藍寶寶浪涌抑制器(BPSS),，在雷擊方面既具有極大的過電流能力,又具有極低的殘壓。同時,，針對電機部分,，參照ISO7637的相關標準，該產品完全可以使用,。而使用其他器件則不能同時達到上述兩種情況,。具體問題有：壓敏電阻在ISO7637的長波(P5A)中容易失效，并且不宜長期使用;陶瓷放電管不能直接用于有源電路中,，常因續(xù)流問題導致電路短路,，并且抑制電壓過高。

　　柵極過電壓,、過電流防護

　　傳統保護模式：防護方案防止柵極電荷積累及柵源電壓出現尖峰損壞IGBT——可在G極和E極之間設置一些保護元件,，如下圖的電阻RGE的作用，是使柵極積累電荷泄放(其阻值可取5kΩ);兩個反向串聯的穩(wěn)壓二極管V1和V2,，是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT,。另外，還有實現控制電路部分與被驅動的IGBT之間的隔離設計,，以及設計適合柵極的驅動脈沖電路等,。然而即使這樣，在實際使用的工業(yè)環(huán)境中,，以上方案仍然具有比較高的產品失效率——有時甚至會超出5%,。相關的實驗數據和研究表明：這和瞬態(tài)浪涌、靜電及高頻電子干擾有著緊密的關系,，而穩(wěn)壓管在此的響應時間和耐電流能力遠遠不足,，從而導致IGBT過熱而損壞。

　　圖2：傳統保護模式和新型保護模式電路對比

　　新型保護模式：將傳統的穩(wěn)壓管改為新型的瞬態(tài)抑制二極管(TVS),。一般柵極驅動電壓約為15V,，可以選型SMBJ15CA。該產品可以通過IEC61000-4-5浪涌測試10/700US 6kV。

　　TVS反應速度極快(達PS級),，通流能力遠超穩(wěn)壓二極管(可達上千安培),，同時，TVS對靜電具有非常好的抑制效果,。該產品可以通過 IEC61000-4-2接觸放電8kV和空氣放電15kV的放電測試,。

　　將傳統電阻RG變更為正溫度系數(PPTC)保險絲。它既具有電阻的效果,，又對溫度比較敏感,。當內部電流增加時，其阻抗也在增加,，從而對過流具有非常好的抑制效果,。