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新型IGBT系统电路保护设计的解决方案

发布时间:2014-04-09 17:31来源:电源网www.EFairCN.com字号:

 IGBT绝缘栅双极型晶体管是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它结合功率MOSFET的工艺技术,将功率MOSFET和功率管GTR集成在同一个芯片中。该器件具有开关频率高、输入阻抗较大、热稳定性好、驱动电路简单、低饱和电压及大电流等特性,被作为功率器件广泛应用于工业控制、电力电子系统等领域(例如:伺服电机的调速、变频电源)。为使我们设计的系统能够更安全、更可靠的工作,对IGBT的保护显得尤为重要。 

 
  目前,在使用和设计IGBT的过程中,基本上都是采用粗放式的设计模式--所需余量较大,系统庞大,但仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。瞬雷电子公司利用在半导体领域的生产和设计优势,结合瞬态抑制二极管的特点,在研究IGBT失效机理的基础上,通过整合系统内外部来突破设计瓶颈。本文将突破传统的保护方式,探讨IGBT系统电路保护设计的解决方案。
 
  IGBT失效场合:来自系统内部,如电力系统分布的杂散电感、电机感应电动势、负载突变都会引起过电压和过电流;来自系统外部,如电网波动、电力线感应、浪涌等。归根结底,IGBT失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。
 
  IGBT失效机理:IGBT由于上述原因发生短路,将产生很大的瞬态电流--在关断时电流变化率di/dt过大。漏感及引线电感的存在,将导致IGBT集电极过电压,而在器件内部产生擎住效应,使IGBT锁定失效。同时,较高的过电压会使IGBT击穿。IGBT由于上述原因进入放大区, 使管子开关损耗增大。
 
  IGBT传统防失效机理:尽量减少主电路的布线电感量和电容量,以此来减小关断过电压;在集电极和发射极之间,放置续流二极管,并接RC电路和RCD电路等;在栅极,根据电路容量合理选择串接阻抗,并接稳压二极管防止栅极过电压。
 
  IGBT失效防护
 
  1. 集电极过电压、过电流防护,以IGBT变频调速电源主电路为例(图1)。 
 
 
  图1:传统保护模式
 
  在集电极和发射极之间并接RC滤波电路,可有效地抑制关断过电压和开关损耗。但在实际应用中,由于DC电源前端的浪涌突波会使集电极过电压,并使RC滤波电路部分的抑制效果生效,IGBT通常都会被击穿或者短路。另外,在电机起动时,由于起动时的大电流,在主线路中分布的电感亦会造成较大程度的感应过电压,使IGBT损坏。同时,电机励磁造成的感应电动势,对电路的破坏也相当地大--工程师们经常没有考虑到这一点。
 
  针对上述情况,浪涌突波部分可以用防雷电路进行防护(图2)。瞬雷电子开发的蓝宝宝浪涌抑制器(BPSS),在雷击方面既具有极大的过电流能力,又具有极低的残压。同时,针对电机部分,参照ISO7637的相关标准,该产品完全可以使用。而使用其他器件则不能同时达到上述两种情况。具体问题有:压敏电阻在ISO7637的长波(P5A)中容易失效,并且不宜长期使用;陶瓷放电管不能直接用于有源电路中,常因续流问题导致电路短路,并且抑制电压过高。
 
  图2:新型防护模式
 
  2.栅极过电压、过电流防护
 
  传统保护模式:防护方案防止栅极电荷积累及栅源电压出现尖峰损坏IGBT--可在G极和E极之间设置一些保护元件,如下图的电阻RGE的作用,是使栅极积累电荷泄放(其阻值可取5kΩ);两个反向串联的稳压二极管V1和V2,是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT.另外,还有实现控制电路部分与被驱动的IGBT之间的隔离设计,以及设计适合栅极的驱动脉冲电路等。然而即使这样,在实际使用的工业环境中,以上方案仍然具有比较高的产品失效率--有时甚至会超出5%.相关的实验数据和研究表明:这和瞬态浪涌、静电及高频电子干扰有着紧密的关系,而稳压管在此的响应时间和耐电流能力远远不足,从而导致IGBT过热而损坏。
 
  新型保护模式:将传统的稳压管改为新型的瞬态抑制二极管(TVS)。一般栅极驱动电压约为15V,可以选型SMBJ15CA.该产品可以通过IEC61000-4-5浪涌测试10/700US 6kV.
  TVS反应速度极快(达PS级),通流能力远超稳压二极管(可达上千安培),同时,TVS对静电具有非常好的抑制效果。该产品可以通过 IEC61000-4-2接触放电8kV和空气放电15kV的放电测试。
  将传统电阻RG变更为正温度系数(PPTC)保险丝。它既具有电阻的效果,又对温度比较敏感。当内部电流增加时,其阻抗也在增加,从而对过流具有非常好的抑制效果。
 
  图3:传统保护模式和新型保护模式电路对比
 

(编辑:www.EFairCN.com)







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