絕緣柵雙極型晶體管過(guò)流保護(hù)的分析與研究

廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東佛山 528216

關(guān)鍵字：絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）；過(guò)流保護(hù)；試驗(yàn)；特點(diǎn)

一、前言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是由雙極型三極管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管組合成的大功率半導(dǎo)體器件，有驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合用于高電壓、大電流、高頻率的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。而IGBT模塊則是絕緣柵雙極型晶體管芯片和續(xù)流二極管芯片并聯(lián)封裝好的模塊化產(chǎn)品，通常說(shuō)的IGBT指的就是IGBT模塊，可以直接應(yīng)用于各種電路中。

如今，在半導(dǎo)體模塊中 IGBT 的使用相當(dāng)廣泛，大部分電力電子器件的研發(fā)都是在 IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的基礎(chǔ)上，越來(lái)越多地使用到 IGBT 開(kāi)關(guān)器件。但是，在使用 IGBT 的時(shí)候經(jīng)常會(huì)碰到很多問(wèn)題，比如如何設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路、可靠的過(guò)流保護(hù)電路等。IGBT模塊電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響了系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)交流系統(tǒng)甚至是整個(gè)系統(tǒng)的性能有著決定性作用。

本文主要研究IGBT的過(guò)流保護(hù)，就是當(dāng) IGBT回路發(fā)生異常，IGBT 的電流過(guò)大時(shí)，能夠十分迅速地將 IGBT關(guān)斷，停止工作；當(dāng)回路回復(fù)正常后，IGBT能繼續(xù)工作，對(duì) IGBT 和控制回路起到保護(hù)的作用。

二、IGBT 過(guò)流的特點(diǎn)

首先，IGBT 模塊是個(gè)比較敏感的器件，能承受的過(guò)流時(shí)間相當(dāng)短，特別是發(fā)生過(guò)流的時(shí)候極其容易損壞。因?yàn)?IGBT 正常工作的時(shí)候都有幾十安培，發(fā)生過(guò)流的時(shí)候電流會(huì)更大，極大的電流在非常短的時(shí)間內(nèi)都會(huì)把 IGBT 燒毀，一般幾個(gè)微秒的時(shí)間就已經(jīng)燒毀。

其次，IGBT 的過(guò)流狀態(tài)受門極驅(qū)動(dòng)電壓影響。即門極驅(qū)動(dòng)電壓小的電路，IGBT 的耐沖擊電流比門極驅(qū)動(dòng)電壓大的電路的小。就好比水龍頭，開(kāi)關(guān)開(kāi)得大，水就大，這樣就容易將水耗完。

最后，當(dāng)發(fā)生過(guò)流之后，如果沒(méi)來(lái)得急保護(hù)，IGBT 有可能被燒毀而斷路，也有可能被擊穿產(chǎn)生擎住效應(yīng)[1]。這是因?yàn)?IGBT 在結(jié)構(gòu)上的原因，它內(nèi)部有寄生晶閘管，只要該晶閘管觸通，IGBT 就再也無(wú)法控制柵極，也就是無(wú)法關(guān)斷 IGBT。

三、過(guò)流保護(hù)的方法

根據(jù) IGBT 過(guò)流的特點(diǎn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)泄放回路的IGBT 過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)的時(shí)候，要達(dá)到過(guò)流保護(hù)的效果，一方面要及時(shí)能檢測(cè)出過(guò)流信號(hào)并且要快速響應(yīng)過(guò)流信號(hào)，即要求檢測(cè)過(guò)流的電路響應(yīng)速度快過(guò) IGBT 承受過(guò)流的時(shí)間，在模塊能承受的過(guò)流時(shí)間內(nèi)關(guān)斷模塊；另一方面還要注意避免熱損壞，在 IGBT 發(fā)生過(guò)流的時(shí)候，IGBT 上有幾百安培的電流流過(guò)，有很大的功率損耗，產(chǎn)生大量的熱量，所以要避免過(guò)高的溫度把IGBT損壞。所以我們還要想辦法延長(zhǎng) IGBT 能承受的過(guò)流時(shí)間，從而爭(zhēng)取時(shí)間處理過(guò)流信號(hào)。在發(fā)生過(guò)流的時(shí)候，我們可以降低 IGBT 的門極電壓，這樣 IGBT能夠承受過(guò)流的時(shí)間也就長(zhǎng)些。

為了解決以上問(wèn)題達(dá)到保護(hù)的作用，關(guān)鍵是看如何將 IGBT 有效關(guān)斷，在關(guān)斷過(guò)程中采取什么措施。

首先，我們要選用快速的檢測(cè)器件，檢測(cè)到的過(guò)流信號(hào)迅速反饋。IGBT 承受過(guò)流的時(shí)間是微秒級(jí)，所以檢測(cè)器件一般要選用的是納秒級(jí)。然后，發(fā)生過(guò)流時(shí)，我們要將 IGBT的門極電壓緩慢降低，從15V降至10V或8V。這樣一方面直接將模塊能夠承受過(guò)流的時(shí)間給延長(zhǎng)了，另一方面還將模塊過(guò)流的電流給減小了[2]。最后，再將 IGBT 關(guān)斷。即將門極電壓由 10V或8V降為0V。這個(gè)過(guò)程一定要快速，也就是關(guān)斷要快速。因?yàn)殚T極電壓降低，伴隨著 IGBT 的壓降升高，在大電流的作用下容易熱損壞，快速關(guān)斷就避免了熱損壞。

四、過(guò)流保護(hù)的設(shè)計(jì)

正常工作時(shí)，IGBT 的Vce電壓只有 1～2V；通過(guò)廠家提供的模塊的電流Ic的 Gain 值與模塊的Vce電壓曲線，當(dāng)過(guò)流時(shí)，電流很大，IGBT 產(chǎn)生的壓降Vce過(guò)大而由驅(qū)動(dòng)芯片檢出故障。根據(jù)使用情況，我們保護(hù)設(shè)定值為Vce=7V，即Ic=600A。

如圖 1 所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片檢測(cè)Vces的電壓值檢出 IGBT 過(guò)流故障，使 MPU 報(bào)出故障。

過(guò)流檢測(cè)二極管使用了 FUJI 推薦的 RP1H。該超快速恢復(fù)二極管的反向耐壓是 1200V，導(dǎo)通壓降最大7V，導(dǎo)通電流 0.1A，反向恢復(fù)時(shí)間是 100ns。

如圖 2 所示，當(dāng) IGBT 過(guò)流保護(hù)檢出過(guò)流故障后，芯片會(huì)一直鎖定 IGBT 為 OFF，直至母線電壓低于放電電壓值，即無(wú)驅(qū)動(dòng)為止。另外，故障會(huì)使控制系統(tǒng)進(jìn)入故障模式，待維修人員處理。

五、 測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，需認(rèn)證驅(qū)動(dòng)芯片VLA503-01R 短路保護(hù)回路設(shè)計(jì)的以下兩個(gè)問(wèn)題：

1，據(jù) DATASHEET 描述，VLA503-01R 過(guò)流保護(hù)觸發(fā)電平最小VSC=15V，該電壓參考點(diǎn)是什么？短路保護(hù)觸發(fā)電平閥值如何設(shè)計(jì)？

2、短路保護(hù)檢測(cè)時(shí)間如何理解？是保護(hù)延遲時(shí)間為 3μs，還是短路狀態(tài)維持 3μs，才進(jìn)行有效檢出？

為了驗(yàn)證以上問(wèn)題，我們進(jìn)行輸出對(duì) N 短路和橋臂間短路測(cè)試，電路圖如圖 1 和圖 3 所示。

方案一：檢測(cè)回路完全開(kāi)路，模擬 IGBT 開(kāi)路故障，測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)檢測(cè)電壓VSC=15～22V 時(shí)，芯片報(bào)出故障，檢出時(shí)間為 3μs左右；

方案二：為了測(cè)試 VLA503-01R 報(bào)故障時(shí)，IGBT結(jié)電壓VCE(SAT)值，用可調(diào)穩(wěn)壓電源代替VCE，測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)VCE電壓為 9.2～9.5V 左右時(shí)，即VSC為10.1～10.3V 左右時(shí)，芯片報(bào)故障。該結(jié)果與方案一結(jié)果一樣；

方案三：為了測(cè)試短路保護(hù)時(shí)Ic電流和 IGBT 結(jié)電壓VCE，我們通過(guò) IGBT 輸出短路來(lái)測(cè)試，為了降低VCE閥值，在檢測(cè)回路串入 4.7V 穩(wěn)壓管。測(cè)試結(jié)果表明，輸出短路保護(hù)時(shí)，當(dāng)Ic為 1.6～1.7kA 時(shí)，檢測(cè)閥值VSC為 12～13V 時(shí)，報(bào)故障，但短路保護(hù)時(shí)間超過(guò) 10μs，可達(dá) 15μs；

方案四：由于方案三進(jìn)行輸出短路保護(hù)時(shí)，芯片可實(shí)現(xiàn)保護(hù)，但由于保護(hù)電流閥值為額定的 3～4 倍，且時(shí)間超過(guò)10μs，所以我們進(jìn)行 IGBT 上下橋臂短路。與方案三一樣，都是在檢測(cè)回路中分別串入 4.7V或6.6V穩(wěn)壓二極管。由測(cè)試結(jié)果可知：當(dāng)穩(wěn)壓管為 4.7V時(shí)，在 W 相短路時(shí)，IGBT 燒毀；當(dāng)穩(wěn)壓管為 6.6V 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)橋臂間短路保護(hù)，保護(hù)時(shí)間都為 3μs左右；當(dāng)穩(wěn)壓管為 4.7V時(shí)，無(wú)論上下橋臂短路，都是下橋臂報(bào)故障；當(dāng)穩(wěn)壓管為 6.6V 時(shí)，無(wú)論上下橋臂短路，上下橋臂都有可能報(bào)故障。

圖 4 所示為測(cè)試波形圖，其中，CH2 為上橋壁的Vge，CH7上橋壁的VSC，CH8 為上橋壁的故障信號(hào)Pin8，CH11、CH12 分別為圖 3 所示電流表A1 和 A2的值。正常開(kāi)通時(shí)，VSC=8.25V，短路時(shí)，VSC= 9.8～10.5V，IA1=797A，IA2=972A。

六、結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試，得到以下結(jié)論：

1、IGBT模塊一旦燒毀，有可能被擊穿短路，也有可能斷路；

2、IGBT模塊能承受過(guò)流的時(shí)間是微秒級(jí)，過(guò)流檢測(cè)器件一般要選用的是納秒級(jí)；

3、芯片過(guò)流保護(hù)觸發(fā)電平要選用可靠穩(wěn)定的地，不能用模擬地，否則故障檢出結(jié)果不穩(wěn)定；

4、芯片過(guò)流保護(hù)檢測(cè)時(shí)間受VSC影響，設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況增加穩(wěn)壓管進(jìn)行調(diào)節(jié)。