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應用IGBT時要做到的保護措施是哪些?

由于IGBT工作在高頻與高電壓、大電流的條件下,因而,IGBT除了要作降額考慮外,對IGBT的保護設計需要重點考慮。

(一)IGBT的工作原理

IGBT的安全可靠與否主要由以下因素決定:

——IGBT柵極與發射極之間的電壓;

——IGBT集電極與發射極之間的電壓;

——流過IGBT集電極-發射極的電流;

——IGBT的結溫。

如果IGBT柵極與發射極之間的電壓,即驅動電壓過高超過柵極-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。

(二)保護措施

(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的驅動電路中設置柵壓限幅電路。另外,若IGBT的柵極與發射極間開路,由于柵極與集電極和發射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極-發射極有電流流過。這時若集電極和發射極間處于高壓狀態時,可能會使IGBT發熱甚至損壞。為防止此類情況發生,應在IGBT的柵極與發射極間并接一只幾十kΩ的電阻,此電阻應盡量靠近柵極與發射極。

由于IGBT其柵極為mos結構,對于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:

——在需要用手接觸IGBT前,,必須接觸時要保證此時人體上所帶的靜電已全部放掉;

——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) 集電極與發射極間的過壓保護

(2.1)直流過壓產生的原因是由于前一級輸入發生異常。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) 浪涌電壓的保護

因為電路中分布電感的存在,加之IGBT的開關速度較高,當IGBT關斷時及與之并接的反向恢復二極管逆向恢復時,就會產生很大的浪涌電壓Ldi/dt。如果VCESP超出

IGBT的集電極-發射極間耐壓值VCES,就可能損壞IGBT。解決的辦法主要有:

——在選取IGBT時考慮設計裕量;

—在電路設計時調整IGBT驅動電路的Rg,使di/dt盡可能小;

——盡量將電解電容靠近IGBT安裝,以減小分布電感;

——根據情況加裝緩沖保護電路,旁路高頻浪涌電壓。

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

——C(電容)緩沖電路采用薄膜電容,靠近IGBT安裝,其缺點是易產生電壓振蕩,而且IGBT開通時集電極電流較大。

——RC緩沖電路其特點是適合于斬波電路,但在使用大容量IGBT時,必須使緩沖電阻值增大,否則,開通時集電極電流過大,使IGBT功能受到一定限制。

——RCD緩沖電路,與RC緩沖電路相比其特點是,增加了緩沖二極管從而使緩沖電阻增大,避開了開通時IGBT功能受阻的問題。根據實際情況選取適當的緩沖保護電路,抑制關斷浪涌電壓。在進行裝配時,要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感,接線越短越粗越好。

(3) 集電極電流過流保護

主要有3種方法。

(3.1) 用電阻或電流互感器檢測過流進行保護

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,控制執行機構斷開IGBT的輸入,達到保護IGBT的目的。

(3.2) 由IGBT的VCE(sat)檢測過流進行保護

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,控制執行機構斷開IGBT的輸入,保護IGBT。

(3.3) 檢測負載電流進行保護

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的后一級電路)檢測到異常后,控制執行機構切斷IGBT的輸入。

 

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