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igbt工作原理及应用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的保护引言绝缘栅双极型晶体管IGBT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。在中大功率的开关电源装置中IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下使得它容易损坏另外电源作为系统的前级由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而在选择IGBT时除了要作降额考虑外对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。1IGBT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。2．1IGBT栅极的保护IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压则可能会损坏IGBT因此在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外若IGBT的栅极与发射极间开路而在其集电极与发射极之间加上电压则随着集电极电位的变化由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在使得栅极电位升高集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开在不被察觉的情况下给主电路加上电压则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻此电阻应尽量靠近栅极与发射极。如图2所示。由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体特别是其栅极为MOS结构因此除了上述应有的保护之外就像其他MOS结构器件一样IGBT对于静电压也是十分敏感的故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：——在需要用手接触IGBT前应先将人体上的静电放电后再进行操作并尽量不要接触模块的驱动端子部分必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉;——在焊接作业时为了防止静电可能损坏IGBT焊机一定要可靠地接地。IGBT在不间断电源的应用.2．2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。2.2.1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。2.2.2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威胁IGBT的安全。通常IGBT的浪涌电压波形如图3所示。图中：vCE为IGBT?电极－发射极间的电压波形;ic为IGBT的集电极电流;Ud为输入IGBT的直流电压;VCESP=Ud＋Ldic/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：——在选取IGBT时考虑设计裕量;——在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg使di/dt尽可能小;——尽量将电解电容靠近IGBT安装以减小分布电感;——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在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。—C缓冲电路如图4(a)所示采用薄膜电容靠近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