大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護(hù)方案解析

　隨著電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展，高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因其具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、開關(guān)損耗低及工作頻率高等特點，而越來越多地應(yīng)用到工作頻率為幾十kHz以下，輸出功率從幾kW到幾百kW的各類電力變換裝置中。IGBT逆變器中最重要的環(huán)節(jié)就是高性能的過流保護(hù)電路的設(shè)計。專用驅(qū)動模塊都帶有過流保護(hù)功能。一些分立的驅(qū)動電路也帶有過電流保護(hù)功能。在工業(yè)應(yīng)用中，一般都是利用這些瞬時過電流保護(hù)信號，通過觸發(fā)器時序邏輯電路的記憶功能，構(gòu)成記憶鎖定保護(hù)電路，以避免保護(hù)電路在過流時的頻繁動作，實現(xiàn)可取的過流保護(hù)。本文分析了大功率可控整流電壓型逆變器中封鎖驅(qū)動及整流拉逆變式雙重保護(hù)電路結(jié)構(gòu)。
　　IGBT失效原因和保護(hù)方法
　　IGBT失效原因分析
　　引起IGBT失效的原因有：
　　1）過熱損壞集電極電流過大引起的瞬時過熱及其它原因，如散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)過熱均會使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過硅本征溫度（約250℃），器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效［1］。實際運行時，一般最高允許的工作溫度為130℃左右。
　　2）超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN4層結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖1所示。體內(nèi)存在一個寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個體區(qū)擴展電阻Rs，P型體內(nèi)的橫向空穴電流在Rs上會產(chǎn)生一定的電壓降，對NPN基極來說，相當(dāng)于一個正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個正偏置電壓不大，對NPN晶體管不起任何作用。當(dāng)集電極電流增大到一定程度時，該正向電壓足以使NPN晶體管開通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是，寄生晶閘管導(dǎo)通，門極失去控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，產(chǎn)生過高功耗，導(dǎo)致器件失效。動態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，流過Rs，產(chǎn)生足以使NPN晶體管開通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管自鎖［2］。
　　
　　3）瞬態(tài)過電流IGBT在運行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過電流雖然持續(xù)時間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負(fù)擔(dān)，也可能會導(dǎo)致IGBT失效。