楊會玲

（西安鐵路職業(yè)技術學院，陜西 西安 710014）

1 IGBT 的基本結構

IGBT 是在電力MOSFET 的基礎上發(fā)展起來的。就IGBT 的結構而言，是在N 溝道MOSFET 的漏極N 層上有附加上一層P 層的PNPN四層結構。如圖1 所示。由于IGBT 多了一個P 層發(fā)射極，可形成PN結J1，使得IGBT 導通時可由P 注入區(qū)向N 基區(qū)發(fā)射載流子（空穴），對漂移區(qū)電導率進行調制。因而IGBT 具有很強的電流控制能力。簡化等效電路表明，IGBT 是以GTR 為主導元件、以MOSFET 為驅動元件的達林頓結構，一個有MOSET 驅動的厚基區(qū)PNP 晶體管，RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。

圖1 IGBT 的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號

2 IGBT 的工作原理

IGBT 是一種電壓型控制器件，它所需要的驅動電流跟驅動功率都非常小。IGBT 的開通和關斷是由門極電壓來控制的。門極施以正電壓時，MOSFET 內形成溝道，并未PNP 晶體管提供基極電流，從而使IGBT 關斷。在門極上施以負電壓時，MOSFET 內的溝道消失，PNP 晶體管的基極電流被切斷，IGBT 即為關斷。

3 IGBT 驅動保護電路分析

3.1 驅動保護電路要求

（1）驅動脈沖要有足夠快的上升和下降速度，即脈沖的前后沿要求陡峭。

（2）開通時以低電阻對柵極電容充電，關斷時為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高開關速度。

（3）為了器件可靠導通，開通脈沖電壓的幅度應高于管子的開啟電壓；為了防止誤導通，在器件截止時提供負的柵-源或柵-射電壓。

（4）出現短路、過流的情況下，具有靈敏的保護能力。

3.2 IGBT 過流保護電路

通常采用的保護措施是降柵壓。降柵壓旨在檢測到器件過流時，馬上降低柵壓，但器件仍維持導通。降柵壓后設有固定延時，故障電流在這一延時期內被限制在一較小值，則降低了故障時器件的功耗，延長了器件抗短路的時間，而且能夠降低器件關斷使的，對器件保護十分有利。若延時后故障信號依然存在，則關斷器件。若故障信號消失，驅動電路可自動恢復正常的工作狀態(tài)，因而大大增強了抗騷擾能力。

上述降柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流大小的關系，而在實際過程中，降柵壓的速度也是一個重要因素，它直接決定了故障電流下降的。慢降柵壓技術就是通過限制降柵壓的速度來控制故障電流的下降速率，從而抑制器件的和UCE峰值。

3.3 IGBT 過壓保護電路

關斷IGBT 時，它的集電極電流下降率較高，極高的下降率降引起集電極過電壓，并且由于電路中的雜散電感與負載電感的作用，將在IGBT 的c、e 兩端產生很高的浪涌尖峰電壓，加之IGBT 耐過壓能力較差，這樣就會使IGBT 擊穿。因此，其過壓保護也是十分重要的。降低IGBT 集-射極間電壓UCE的方法通常有兩種：一種是增大柵極電阻RG，但RG的增大將減緩IGBT 的開關速度，從而增加開關損耗，此方法不太理想；還有一種就是采用緩沖吸收電路，吸收電路的作用是：當IGBT 關斷時，吸收電感中釋放的能量，以降低關斷過電壓。

3.4 IGBT 過熱保護電路

由于IGBT 是大功率半導體器件，功率損耗使其發(fā)熱較多，加之IGBT 的結溫不能超過125℃，不宜長期工作在較高溫度下，因此要采取恰當的散熱措施進行過熱保護。

在實際工作中，我們采用普通散熱器與強迫風冷相結合的措施，并在散熱器上安裝溫度開關。當溫度達到75～80℃時，通過關閉信號停止對PWM 發(fā)送控制信號，從而使驅動器封鎖IGBT 的開關輸出，并予以關斷保護。

［1］黃家善.電力電子技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012，1.

［2］王志良.電力電子新器件及其應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［3］陳息坤.一種新型的IGBT 保護電路的設計[J].電源技術，2012.