IGBT保护电容

IGBT的过压保护

前言

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）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。在小家电应用中以电磁炉用量最为广泛，而在电磁炉技术中，IGBT作为电磁炉的心脏，对IGBT的应用技术，是决定电磁炉的质量的关键，本文针对IGBT工作原理对其过压保护问题提出几种简单的保护方法。

1.IGBT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,本文主要介绍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。

2.1 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 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（关断浪涌电压），威胁IGBT的安全。

通常IGBT的浪涌电压波形如图2所示。

图2

图中：V CE为IGBT电极－发射极间的正常电压波形；

ic为IGBT的集电极电流；

Ud为输入IGBT的直流电压；

V CESP=Ud＋Ldi/dt,为浪涌电压峰值。

如果V CESP超出IGBT的集电极－发射极间耐压值V CES，就可能损坏IGBT。解决的办法主要有：

1）.在选取IGBT时考虑设计裕量；

2）.在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg，使di/dt尽可能小；

3）.尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感；

4）.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，介绍几种缓冲保护电路的类型和特点

C缓冲电路如图3（A）所示对关断浪涌电压有抑制效果，采用高频性能良好的薄膜电容，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开通时集电极电流较大。

RC缓冲电路如图3（B）所示对关断浪涌电压有抑制效果其特点是适合于斩波电路，但在使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻值增大，否则，开通时集电极电流过大，使IGBT

功能受到一定限制，由于缓冲电路的损耗大，不太适合高频用途。

充放电型RCD缓冲电路如图3（C）所示对关断浪涌秒电压有抑制效果，与RC缓冲电路不同，由于外加了缓冲二级管，缓冲电阻值能够变大，能够回避开通时IGBT的负担问题，缓冲电路中的损耗比较大，因此不适用于高频交换用途。

放电阻止型缓冲电路如图3（D）所示对关断浪涌电压有抑制效果，最适合高频交换用途，缓冲电路发生的损耗少。

下面就作为最合理的IGBT的缓冲电路的放电电阻型缓冲电路的基本设计方法进行说明：

1）.缓冲电容的（Cs）的电容值的求法：

Cs=（L-I02）/（V CEP-Ed）2

L：主电路的寄生电感

I0：IGBT关断时的集电极电流

V CEP：缓冲电容器电压的最终到达值

Ed：直流电源电压

工作电流（IR）的选取

用于感性负载（电磁炉）时，原则上额定工作电流IR≤0.35 IC。

例、20B120UD-E，TC＝85℃时，IC＝25A；此时，IR＝0.35×25A＝8.8A

PR＜220V×8.8A＝1936W

工作电压（UCER）的选取

·用于感性负载（电磁炉）时，IGBT的C极电压VCER≤0.8VCE时较为稳妥。

·例，20B120UD-E，TC＝85℃时，

TC＝25℃时，VCE＝1.1×1200V＝1320V

TC＝85℃时，VCE≥1320V＋1.2×80＝1416V

考虑到冲击尖峰的影响及冷态VCE值限，VCER≤0.8×1320＝1056V

IGBT外表温度TC的选取

由于IGBT结温TJ≤150℃，故正常工作时，一般TJ≤125℃为好。即TC≤125℃－PD×RQJC ·例、20B120UD-E，工作在1800W的电磁炉上时，IR＝8.2A, VCE(SAT)＝3.05V

TC＜125℃－3.05×8.2×0.50＝113℃

考虑到散热条件及发热量的波动，TC＜100℃，较为理想；

散热器温度 Ts＜95℃为佳。

2）.放电电阻（Rs）的值的求法

缓冲电阻要求的机能是在IGBT下一次关断动作运行前，将存储在缓冲电容器中的电荷放电。在IGBT在进行下一次断开动作前，将存储电荷的90%放电的条件，求取缓冲电阻的方法如下： Rs≤1/2.3Csƒƒ：交换频率

缓冲电阻值如果设定过低，由于缓冲电路的电流振荡，IGBT开通时的集电极电流峰值也增加，请在满足上式的范围设定为高值。

缓冲电阻发生的损耗P（Rs）与电阻无关，P（Rs）=L I02ƒ/2

3）.缓冲二极管的选定