IGBT的保护

将IGBT用于变换器时，应采取保护措施以防损坏器件，常用的保护措施有：

（1） 通过检出的过电流信号切断门极控制信号，实现过电流保护；

（2） 利用缓冲电路抑制过电压并限制du/dt；

（3） 利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。

下面着重讨论因短路而产生的过电流及其保护措施。

前已述及，IGBT由于寄生晶闸管的影响，当流过IGBT的电流过大时，会产生不可控的擎住效应。实际应用中应使IGBT的漏极电流不超过额定电流，以避免出现擎住现象。一旦主电路发生短路事故，IGBT由饱和导通区进入放大区，集电极电流I_C并未大幅度增加，但此时漏极电压很高，IGBT的功耗很大。短路电流能持续的时间t则由漏极功耗所决定。这段时间与漏极电源电压U_DD、门极电压U_GS及结温T_j密切相关。图1给出了允许短路时间t和电源电压U_DD的关系曲线。图1(a)中示出了测试电路和U_GS、i_D的波形，测试条件为：受试元件为50A/1000V的IGBT，R_G为24Ω，T_j为25℃，U_GS为15V。图1(b)为允许短路时间与电源电压的关系曲线，由图可知，随着电源电压的增加，允许短路过电流时间t减小。在负载短路过程中，漏极电流i_D也随门极电压+U_GS的增加而增加，并使IGBT允许的短路时间缩短。由于允许的短路时间随门极电压的增加而减小。所以，在有短路过程的设备中，IGBT的+U_GS应选用所必须的最小值。必须指出，在允许的短路时间内，IGBT工作在放大区，漏极电流波形与门极输入电压波形很相似。

对IGBT的过电流保护可采用集射极电压识别的方法，在正常工作时，IGBT的通态饱和电压降U_on与集电极电流i_C呈近似线性变化的关系，识别U_on的大小即可判断IGBT集电极电流的大小。IGBT的结温升高后，在大电流情况下通态饱和压降增加，这种特性有利于过电流识别保护。图2为过电流保护电路，由图可知，集电极电压与门极驱动信号相“与”后输出过电流信号，将此过电流信号反馈至主控电路切断门极信号，以保护IGBT不受损坏。具体应用中尚须注意以下两个问题。

（1） 识别时间。从识别出过电流信号至切断门极信号的这段时间必须小于IGBT允许短路过电流的时间。前已述及，IGBT对短路电流的承受能力与其饱和管压降的大小和门极驱动电压U_GS的大小有很大关系。饱和压降越大，短路承受能力越强；U_GS越小，短路承受能力也越强。对于饱和压降为2~3V的IGBT，当U_GS=15V时，其短路承受能力仅为5μs。为了有效保护IGBT，保护电路必须在2μs内动作，这样短的反应时间往往使用保护电路很难区分究竟是真短路还是“假短路”（例如续流二极管反向恢复过程，其时间就在1~2μs之间），这就对整个系统的可靠性带来不利的影响。为此不仅应采取快速光耦合器件VL及快速传送电路，而且有必要利用降低门极电压增加IGBT承受短路的能力这一特性。当U_GS由15V降至10V时，其短路承受能力则由5μs增至15μs。这样，保护电路动作就可以延长10μs。这时如果短路仍存在，则认为是真短路，完全关断IGBT；如果短路消失，就是“假短路”，就把U_GS由10V恢复到正常值15V，从而既可有效保护IGBT，又不误动作。

（2） 保护时的关断速度问题。由于IGBT过流时电流幅值很大，加之IGBT关断速度很快，如果按正常时的关断速度，就会造成Ldi/dt过大，形成很高的尖峰电压，极易损坏IGBT和设备中的其他元器件；因此有必要让IGBT在允许的短路时间内采取措施使IGBT进行“慢速关断”。当检测到真短路时，驱动电路在关断IGBT时，必须让门极电压较慢地由15V下降，其原理如图3(a)所示，图中T₃平时是导通的，电阻R₁不被引入；一旦需要慢速切断，则T₃管截止，IGBT输入电容通过R_G、R₁放电，时间常数加大，放电速度降低。图3(b)为常态快速切断与过电流慢速切断两种情况下的漏极电流波形变化示意图。

20世纪80年代末，IGBT开始向智能功率模块发展，现已发展到第三代。各代的内置功能如下。

第一代包括：①连接功率器件和控制电压的接口电路；②过电流保护电路、过热保护电路。

第二代包括：①第一代的内置功能；②上、下支路的信号分配电路（防上、下支路间短路）；③电路用电源。

第三代包括：①第二代的内置功能；②PWM控制电路；③过载变换（负载和模块自身保护电路）；④过电压保护电路（直流电压异常增加时，模块本身的保护电路）。

由此可见，第三代IGBT智能功率模块具有逆变器的基本功能，使应用系统的设计更为简化，装置的零部件大为减少，可靠性得以提高。