大功率IGBT擊穿故障分析及驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計

張廣智 王琳琳 趙偉華 張偉光 李全熙

摘 要：該文通過對IGBT組成的H橋在大功率高速開關(guān)條件下進(jìn)行大量實驗，列舉了IGBT發(fā)生擊穿故障的多種原因，結(jié)合IGBT器件的結(jié)構(gòu)分析其擊穿過程及擊穿表現(xiàn)，并通過計算提出了一種輸出波形穩(wěn)定的IGBT驅(qū)動電路以及相應(yīng)的保護(hù)電路。

關(guān)鍵詞：擊穿 驅(qū)動 保護(hù)

中圖分類號：O 453 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

目前，大功率電源技術(shù)的發(fā)展向著小型、高頻方向邁進(jìn)，其功率開關(guān)部分多采用IGBT來實現(xiàn)，但是由于功率的增大、開關(guān)頻率的增高及設(shè)備體積的減小，使得IGBT發(fā)生擊穿甚至炸管的故障率顯著增加，該文通過使IGBT工作在500 V/10 KHz條件下進(jìn)行的各項試驗，對不同原因?qū)е碌膿舸┈F(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)，論述了不同情況下?lián)舸┑母驹蚣氨憩F(xiàn)形式，提出了一種IGBT驅(qū)動保護(hù)電路，經(jīng)實際驗證，此電路運行穩(wěn)定，保護(hù)動作快速有效。

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，具有載流密度大，開關(guān)速率快，驅(qū)動功率小而飽和壓降低的優(yōu)點。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600 V及以上的大功率逆變系統(tǒng)，在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1 擊穿原因分析

由于該器件經(jīng)常應(yīng)用于大功率及開關(guān)速率快的場合，因此發(fā)生擊穿甚至炸管的幾率非常高，究其根本擊穿原因有以下三點：過壓擊穿、過流擊穿、過溫?fù)舸?/p>

1.1 過壓擊穿

引起過壓擊穿的原因有很多，比如負(fù)載、線路、元器件的分布電感的存在，導(dǎo)致IGBT在由導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷時，電流Ic突然變小，將在IGBT的c、e兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓Uce=L×dic/dt，此電壓若大于IGBT的耐壓值，則會擊穿IGBT；另外，靜電、負(fù)載變化、電網(wǎng)的波動、驅(qū)動電路失效開路以及外部電磁干擾都可能引起電壓擊穿。

過壓擊穿分為兩個步驟：（1）IGBT的雪崩擊穿；（2）IGBT短路。

第一步：雪崩擊穿，當(dāng)IGBT的柵極電壓為零或負(fù)時，處于正向阻斷狀態(tài)，此時若IGBT承受外部阻斷電壓較高，耗盡層的電場強(qiáng)度隨電壓升高而升高，就會在耗盡層產(chǎn)生大量的電子和空穴，當(dāng)電場強(qiáng)度超過臨界值時，外部阻斷電壓會使中性區(qū)邊界漂移進(jìn)來的載流子加速獲得很高的動能，這些高能載流子在空間電荷區(qū)與點陣原子碰撞時使之電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新生的電子-空穴對立即被強(qiáng)電場分開并沿相反方向加速，進(jìn)而獲得足夠動能使另外的點陣原子電離，產(chǎn)生更多的電子-空穴對，載流子在空間電荷區(qū)倍增下去，反向電流迅速增大，發(fā)生雪崩擊穿，直至PN 結(jié)損壞。這個使得PN 結(jié)電場增強(qiáng)到臨界值的外部電壓稱為IGBT的雪崩擊穿電壓。

第二步：IGBT短路，IGBT的雪崩擊穿是一個可逆過程，不會立即導(dǎo)致IGBT損壞，此過程如果通過增加吸收回路等方法使過壓時間控制在10個電壓脈沖周期以內(nèi)，IGBT不會表現(xiàn)為不可逆的擊穿狀態(tài)，但如果吸收回路沒能在短時間內(nèi)吸收浪涌電壓，那么IGBT則會表現(xiàn)為集電極發(fā)射極短路狀態(tài)（靜電擊穿門級表現(xiàn)為門級發(fā)射極短路），此狀態(tài)不可逆。

1.2 過流擊穿

導(dǎo)致IGBT過流擊穿的原因多為負(fù)載短路、負(fù)載對地短路，此外，由于驅(qū)動電路故障、外界干擾等造成的逆變橋橋臂不正確導(dǎo)通也是過流擊穿的一大原因。

IGBT有一定抗過電流能力，但時間要控制在10 us以內(nèi)。IGBT 內(nèi)部有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應(yīng)。在規(guī)定的發(fā)射極電流范圍內(nèi)，NPN 的正偏壓不足以使其導(dǎo)通，當(dāng)發(fā)射極電流大到一定程度時，這個正偏壓會使NPN 晶體管開通，進(jìn)而使NPN 和PNP 晶體管處于飽和狀態(tài)，導(dǎo)致寄生晶閘管開通，此時門極會失去控制作用，便發(fā)生了擎住效應(yīng)，IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，發(fā)射極電流過大造成了過高的功耗，最后導(dǎo)致器件的損壞。過流擊穿多表現(xiàn)為可見性炸管。

1.3 過溫?fù)舸?/p>

IGBT的最大工作溫度一般為175 ℃，但實際應(yīng)用中結(jié)溫的最高溫度要控制在150 ℃以下，一般最好不要超過130 ℃，否則高溫會引起外部器件熱疲勞以及IGBT穩(wěn)定性變差，經(jīng)過實際驗證IGBT長時間工作在40 ℃左右為宜。

發(fā)生過溫?fù)舸┑闹饕驗樯嵩O(shè)計不完善，電路設(shè)計原因為死區(qū)時間設(shè)置過短、控制信號受干擾導(dǎo)致的逆變橋臂瞬時短路、負(fù)載阻抗不匹配、驅(qū)動電壓不足、IGBT器件選型錯誤導(dǎo)致的和設(shè)計開關(guān)頻率不匹配等。

過溫失效主要表現(xiàn)在以下幾個方面：柵門檻電壓VGE增大；CE動態(tài)壓降VCE增大；動態(tài)導(dǎo)通時間增大，關(guān)斷時間減??；開關(guān)損耗增大。

2 驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計

2.1 驅(qū)動電路設(shè)計思路

以K40T120（1200 V/40 A）型IGBT為例進(jìn)行驅(qū)動電路設(shè)計：

2.1.1 確定門級電電容及驅(qū)動電壓：用Cin=5 Ciss進(jìn)行計算，根據(jù)手冊可查Ciss=2360 pF，則Cin=2360×5=11.8 nF，

根據(jù)Q＝∫idt＝Cin×ΔU計算驅(qū)動電壓ΔU經(jīng)查此IGBT門級電容Q=192 nC，ΔU=Q/Cin=16.3 V，因此最小驅(qū)動電壓為16.3 V。

2.1.2 確定門級正偏壓以及負(fù)偏壓：正偏壓Vge越高，器件的導(dǎo)通損耗就越小，但是，Vge不允許超過+20 V，原因是一旦發(fā)生過流或短路，Vge越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。負(fù)偏壓的應(yīng)用是為了在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時仍能可靠截止，一般選為5～15 V為宜。綜合最小驅(qū)動電壓16.3 V，由器件Vgate/Ic曲線選定正偏壓+11 V、負(fù)偏壓-9 V為最終驅(qū)動電壓。

另外，驅(qū)動電路還應(yīng)有門極電壓限幅功能，以防外界干擾及器件損壞等造成的門級過驅(qū)動擊穿IGBT。

2.1.3 確定驅(qū)動電流及驅(qū)動電阻：一般來講，IGBT器件的耐壓耐流越大，IGBT的門極和集電極間的等效電容越大，所需的電流越大，此外開關(guān)頻率越大，所需門級電流越大。

K40T120的門級電流為200 mA，以20 V驅(qū)動電壓計算，其最小驅(qū)動電阻為20 V/200 MA=10 K，選擇10 K作為驅(qū)動電阻。

由器件的Rg/Td（on）Td（off）曲線結(jié)合所需開關(guān)頻率確定門級電阻為40 Ω。

此外，IGBT驅(qū)動電路需要設(shè)計隔離電路（可采用光耦隔離或變壓器隔離），防止IGBT擊穿時損壞驅(qū)動電路或者中控電路，設(shè)計的思路是盡可能的簡單實用，要有抗干擾能力，輸出阻抗越低越好。

2.2 IGBT驅(qū)動電路

由于電路中分布電感和分布電容對IGBT高速開關(guān)狀態(tài)會有很大的影響，所以采用分級設(shè)計，前后級用雙絞線進(jìn)行連接。

圖1所示為K40T120的前級驅(qū)動電路：由光耦進(jìn)行隔離，信號由光耦輸入，20 V電壓輸入經(jīng)整形變?yōu)?11/-9 V的驅(qū)動波形由G/E輸出。

圖中電容的作用是使輸出波形更平穩(wěn)，穩(wěn)壓管1N4739（9.1 V穩(wěn)壓管）的目的是提供負(fù)偏壓，可根據(jù)實際情況進(jìn)行改變。

圖2所示為IGBT后級驅(qū)動部分，以H橋單橋臂為例實際應(yīng)用中可在電源母線加裝π型濾波器、增加電容組的容量以抑制浪涌電壓，P6KE16CA為雙向瞬態(tài)電壓抑制器件，防止門級電壓過高引起器件損毀。

2.3 IGBT的保護(hù)

IGBT的過壓保護(hù)主要采用減少電路分布電感、增加吸收緩沖回路、增大門級電阻等方法來實現(xiàn)，此部分電路加裝在驅(qū)動電路部分。

IGBT的過溫保護(hù)主要采用散熱片加風(fēng)冷的方式實現(xiàn)，并參考實際應(yīng)用參數(shù)（工作電流及環(huán)境溫度）進(jìn)行設(shè)計，在此不再贅述。

IGBT過流保護(hù)電路：

IGBT具有一定的過流能力，但是過流時間不可超過10 us，要求過流保護(hù)電路要有高精度、快速反應(yīng)等優(yōu)點，因此采用電源母線采樣、高速比較器進(jìn)行電流比較，一旦超過設(shè)定電流立刻關(guān)斷驅(qū)動波形，保護(hù)IGBT。

圖3所示保護(hù)電路，高速比較器采用LM211，電感L串入母線回路，由330 Ω電阻進(jìn)行采樣并經(jīng)分壓輸入2腳，3腳的基準(zhǔn)電壓有電源電壓分壓得到，調(diào)整20K電阻調(diào)節(jié)保護(hù)靈敏度，CD4013的輸出端可根據(jù)實際需要接入波形發(fā)生電路或經(jīng)光耦隔離接入驅(qū)動電路。

此保護(hù)電路在500 V/20 A的逆變電路中應(yīng)用，IGBT擊穿率下降到7%左右，有實際的應(yīng)用價值。

3 結(jié)語

IGBT器件由于其工作在大電壓、大電流的狀態(tài)下，因此，發(fā)生擊穿甚至炸管的故障較多，但是，只要按照器件手冊及相關(guān)計算公式計算驅(qū)動電壓、電流，選定穩(wěn)定可靠的驅(qū)動電路，合理設(shè)計電路板結(jié)構(gòu)，增加相應(yīng)的保護(hù)措施，IGBT完全可以穩(wěn)定可靠地工作。

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