IGBT应用设计全面剖析

如何做好IGBT的保护

　　众所周知，IGBT是一种用MOS来控制晶体管的新型电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点，被广泛应用在变频器的逆变电路中。但由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差，一旦出现意外就会使它损坏。为此，必须对IGBT进行相关保护。一般我们从过流、过压、过热三方面进行IGBT保护电路设计。

　　IGBT承受过电流的时间仅为几微秒，耐过流量小，因此使用IGBT首要注意的是过流保护。那么该如何根据IGBT的驱动要求设计过流保护呢?

　　IGBT的过流保护可分为两种情况：(1) 驱动电路中无保护功能;(2) 驱动电路中设有保护功能。对于第一种情况，我们可以在主电路中要设置过流检测器件;针对第二种情况，由于不同型号的混合驱动模块，其输出能力、开关速度与du/dt的承受能力不同，使用时要根据实际情况恰当选用。对于大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流保护则可以通过封锁驱动信号或者减小栅压来进行保护。

　　过压保护则可以从以下几个方面进行：

　　●尽可能减少电路中的杂散电感。

　　●采用吸收回路。吸收回路的作用是;当IGBT关断时，吸收电感中释放的能量，以降低关断过电压。

　　●适当增大栅极电阻Rg。

　　IGBT的过热保护一般是采用散热器(包括普通散热器与热管散热器)，并可进行强迫风冷。

　　传统与新型IGBT保护模式对比

　　在传统的使用和设计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。那么该如何突破传统的IGBT系统电路保护设计来解决上述问题呢?

　　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。

　　传统保护模式和新型保护模式电路对比

　　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。

　　IGBT的应用及设计

　　作为电力电子重要大功率主流器件之一，IGBT已经广泛应用于家用电器、交通运输、电力工程、可再生能源和智能电网等领域。在工业应用方面，如交通控制、功率变换、工业电机、不间断电源、风电与太阳能设备，以及用于自动控制的变频器。在消费电子方面，IGBT用于家用电器、相机和手机。小编也搜集了几篇关于IGBT设计的文章，供大家参考：如何设计精简、低成本的保护马达驱动器中的IGBT、如何能提高输出功率密度的短路额定IGBT、如何用IGBT实现高压大功率变频器、基于IGBT的高能效电源设计、大功率开关电源IGBT短路保护的三种设计方法。

　　IGBT产品市场现状分析

　　国内市场需求急剧上升曾使得IGBT市场一度被看好。虽然长期来看，IGBT是一个值得期待的市场，可是到目前为止IGBT的核心技术和产业为大多数欧美IDM半导体厂商所掌控，本土厂商想要打破国外企业对国内IGBT市场垄断，还需要很多努力。并且随着各国政府都将削减可再生能源及交通等领域的支出，IGBT市场能否再度增长?根据最新的调查报告显示，各种IGBT器件和模块的销售额在2013年将有一定程度的复苏，2014年稍稍减速，待经济复苏并稳定后，从2015年开始将稳定增长。虽然2013年IGBT市场增长趋势有所下降，但随着国内技术的进步，其发展前景还是十分被看好的。因此才会有许多厂商纷纷推出IGBT产品：东芝公司推出了应用于数码相机闪光灯的分立式IGBT，切换时间缩短2/3;IR扩充坚固可靠的600V沟道超高速IGBT系列;英飞凌扩展第三代逆导IGBT产品组合;飞兆用于高功率感应加热应用的阳极短路型IGBT;安森美9款高能效沟槽型场截止IGBT。