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gbt工作原理及应用

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的保护

引言

绝缘栅双极型晶体管IGBT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。

在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。

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{yj}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{zd0}电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会{yj}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。

2．1 IGBT栅极的保护

IGBT的栅极－发射极驱动电压VGE的保证值为±20V,如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT,因此，在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极－发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下给主电路加上电压，则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极。如图2所示。

由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体，特别是其栅极为MOS结构，因此除了上述应有的保护之外，就像其他MOS结构器件一样，IGBT对于静电压也是十分敏感的，故而对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：

——在需要用手接触IGBT前，应先将人体上的静电放电后再进行操作，并尽量不要接触模块的驱动端子部分，必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉；

——在焊接作业时，为了防止静电可能损坏IGBT,焊机一定要可靠地接地。 IGBT在不间断电源的应用 .

2．2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。

2.2.1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。

2.2.2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,威胁IGBT的安全。

通常IGBT的浪涌电压波形如图3所示。

图中：vCE为IGBT?电极－发射极间的电压波形；

ic为IGBT的集电极电流；

Ud为输入IGBT的直流电压；

VCESP=Ud＋Ldic/dt,为浪涌电压峰值。

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

——在选取IGBT时考虑设计裕量；

——在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg,使di/dt尽可能小；

——尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感；

——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，在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。

—C缓冲电路如图4(a)所示，采用薄膜电容，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4(b)所示，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。

——RCD缓冲电路如图4(c)所示，与RC缓冲电路相比其特点是，增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。

该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为

P=LI2f＋CUd2f式中：L为主电路中的分布电感；

I为IGBT关断时的集电极电流；

f为IGBT的开关频率；

C为缓冲电容；

Ud为直流电压值。

——放电阻止型缓冲电路如图4(d)所示，与RCD缓冲电路相比其特点是，产生的损耗小，适合于高频开关。

在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为

P=1/2LI2f+1/2CUf

根据实际情况选取适当的缓冲保护电路，抑制关断浪涌电压。在进行装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好。