廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學(xué)院，廣東佛山 528216

關(guān)鍵字：絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）；過流保護；試驗；特點

一、前言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是由雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管組合成的大功率半導(dǎo)體器件，有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快等優(yōu)點，所以非常適合用于高電壓、大電流、高頻率的開關(guān)系統(tǒng)。而IGBT模塊則是絕緣柵雙極型晶體管芯片和續(xù)流二極管芯片并聯(lián)封裝好的模塊化產(chǎn)品，通常說的IGBT指的就是IGBT模塊，可以直接應(yīng)用于各種電路中。

如今，在半導(dǎo)體模塊中 IGBT 的使用相當(dāng)廣泛，大部分電力電子器件的研發(fā)都是在 IGBT作為開關(guān)器件的基礎(chǔ)上，越來越多地使用到 IGBT 開關(guān)器件。但是，在使用 IGBT 的時候經(jīng)常會碰到很多問題，比如如何設(shè)計合理的驅(qū)動電路、可靠的過流保護電路等。IGBT模塊電路設(shè)計的好壞直接影響了系統(tǒng)的運行，對交流系統(tǒng)甚至是整個系統(tǒng)的性能有著決定性作用。

本文主要研究IGBT的過流保護，就是當(dāng) IGBT回路發(fā)生異常，IGBT 的電流過大時，能夠十分迅速地將 IGBT關(guān)斷，停止工作；當(dāng)回路回復(fù)正常后，IGBT能繼續(xù)工作，對 IGBT 和控制回路起到保護的作用。

二、IGBT 過流的特點

首先，IGBT 模塊是個比較敏感的器件，能承受的過流時間相當(dāng)短，特別是發(fā)生過流的時候極其容易損壞。因為 IGBT 正常工作的時候都有幾十安培，發(fā)生過流的時候電流會更大，極大的電流在非常短的時間內(nèi)都會把 IGBT 燒毀，一般幾個微秒的時間就已經(jīng)燒毀。

其次，IGBT 的過流狀態(tài)受門極驅(qū)動電壓影響。即門極驅(qū)動電壓小的電路，IGBT 的耐沖擊電流比門極驅(qū)動電壓大的電路的小。就好比水龍頭，開關(guān)開得大，水就大，這樣就容易將水耗完。

最后，當(dāng)發(fā)生過流之后，如果沒來得急保護，IGBT 有可能被燒毀而斷路，也有可能被擊穿產(chǎn)生擎住效應(yīng)[1]。這是因為 IGBT 在結(jié)構(gòu)上的原因，它內(nèi)部有寄生晶閘管，只要該晶閘管觸通，IGBT 就再也無法控制柵極，也就是無法關(guān)斷 IGBT。

三、過流保護的方法

根據(jù) IGBT 過流的特點，我們在設(shè)計泄放回路的IGBT 過流保護設(shè)計的時候，要達到過流保護的效果，一方面要及時能檢測出過流信號并且要快速響應(yīng)過流信號，即要求檢測過流的電路響應(yīng)速度快過 IGBT 承受過流的時間，在模塊能承受的過流時間內(nèi)關(guān)斷模塊；另一方面還要注意避免熱損壞，在 IGBT 發(fā)生過流的時候，IGBT 上有幾百安培的電流流過，有很大的功率損耗，產(chǎn)生大量的熱量，所以要避免過高的溫度把IGBT損壞。所以我們還要想辦法延長 IGBT 能承受的過流時間，從而爭取時間處理過流信號。在發(fā)生過流的時候，我們可以降低 IGBT 的門極電壓，這樣 IGBT能夠承受過流的時間也就長些。

為了解決以上問題達到保護的作用，關(guān)鍵是看如何將 IGBT 有效關(guān)斷，在關(guān)斷過程中采取什么措施。

首先，我們要選用快速的檢測器件，檢測到的過流信號迅速反饋。IGBT 承受過流的時間是微秒級，所以檢測器件一般要選用的是納秒級。然后，發(fā)生過流時，我們要將 IGBT的門極電壓緩慢降低，從15V降至10V或8V。這樣一方面直接將模塊能夠承受過流的時間給延長了，另一方面還將模塊過流的電流給減小了[2]。最后，再將 IGBT 關(guān)斷。即將門極電壓由 10V或8V降為0V。這個過程一定要快速，也就是關(guān)斷要快速。因為門極電壓降低，伴隨著 IGBT 的壓降升高，在大電流的作用下容易熱損壞，快速關(guān)斷就避免了熱損壞。

四、過流保護的設(shè)計

正常工作時，IGBT 的Vce電壓只有 1～2V；通過廠家提供的模塊的電流Ic的 Gain 值與模塊的Vce電壓曲線，當(dāng)過流時，電流很大，IGBT 產(chǎn)生的壓降Vce過大而由驅(qū)動芯片檢出故障。根據(jù)使用情況，我們保護設(shè)定值為Vce=7V，即Ic=600A。

如圖 1 所示，通過驅(qū)動芯片檢測Vces的電壓值檢出 IGBT 過流故障，使 MPU 報出故障。

過流檢測二極管使用了 FUJI 推薦的 RP1H。該超快速恢復(fù)二極管的反向耐壓是 1200V，導(dǎo)通壓降最大7V，導(dǎo)通電流 0.1A，反向恢復(fù)時間是 100ns。

如圖 2 所示，當(dāng) IGBT 過流保護檢出過流故障后，芯片會一直鎖定 IGBT 為 OFF，直至母線電壓低于放電電壓值，即無驅(qū)動為止。另外，故障會使控制系統(tǒng)進入故障模式，待維修人員處理。

五、 測試試驗

為了驗證設(shè)計的可靠性，需認證驅(qū)動芯片VLA503-01R 短路保護回路設(shè)計的以下兩個問題：

1，據(jù) DATASHEET 描述，VLA503-01R 過流保護觸發(fā)電平最小VSC=15V，該電壓參考點是什么？短路保護觸發(fā)電平閥值如何設(shè)計？

2、短路保護檢測時間如何理解？是保護延遲時間為 3μs，還是短路狀態(tài)維持 3μs，才進行有效檢出？

為了驗證以上問題，我們進行輸出對 N 短路和橋臂間短路測試，電路圖如圖 1 和圖 3 所示。

方案一：檢測回路完全開路，模擬 IGBT 開路故障，測試結(jié)果表明當(dāng)檢測電壓VSC=15～22V 時，芯片報出故障，檢出時間為 3μs左右；

方案二：為了測試 VLA503-01R 報故障時，IGBT結(jié)電壓VCE(SAT)值，用可調(diào)穩(wěn)壓電源代替VCE，測試結(jié)果表明當(dāng)VCE電壓為 9.2～9.5V 左右時，即VSC為10.1～10.3V 左右時，芯片報故障。該結(jié)果與方案一結(jié)果一樣；

方案三：為了測試短路保護時Ic電流和 IGBT 結(jié)電壓VCE，我們通過 IGBT 輸出短路來測試，為了降低VCE閥值，在檢測回路串入 4.7V 穩(wěn)壓管。測試結(jié)果表明，輸出短路保護時，當(dāng)Ic為 1.6～1.7kA 時，檢測閥值VSC為 12～13V 時，報故障，但短路保護時間超過 10μs，可達 15μs；

方案四：由于方案三進行輸出短路保護時，芯片可實現(xiàn)保護，但由于保護電流閥值為額定的 3～4 倍，且時間超過10μs，所以我們進行 IGBT 上下橋臂短路。與方案三一樣，都是在檢測回路中分別串入 4.7V或6.6V穩(wěn)壓二極管。由測試結(jié)果可知：當(dāng)穩(wěn)壓管為 4.7V時，在 W 相短路時，IGBT 燒毀；當(dāng)穩(wěn)壓管為 6.6V 時，可以實現(xiàn)橋臂間短路保護，保護時間都為 3μs左右；當(dāng)穩(wěn)壓管為 4.7V時，無論上下橋臂短路，都是下橋臂報故障；當(dāng)穩(wěn)壓管為 6.6V 時，無論上下橋臂短路，上下橋臂都有可能報故障。

圖 4 所示為測試波形圖，其中，CH2 為上橋壁的Vge，CH7上橋壁的VSC，CH8 為上橋壁的故障信號Pin8，CH11、CH12 分別為圖 3 所示電流表A1 和 A2的值。正常開通時，VSC=8.25V，短路時，VSC= 9.8～10.5V，IA1=797A，IA2=972A。

六、結(jié)論

經(jīng)過實際的試驗測試，得到以下結(jié)論：

1、IGBT模塊一旦燒毀，有可能被擊穿短路，也有可能斷路；

2、IGBT模塊能承受過流的時間是微秒級，過流檢測器件一般要選用的是納秒級；

3、芯片過流保護觸發(fā)電平要選用可靠穩(wěn)定的地，不能用模擬地，否則故障檢出結(jié)果不穩(wěn)定；

4、芯片過流保護檢測時間受VSC影響，設(shè)計時需根據(jù)實際情況增加穩(wěn)壓管進行調(diào)節(jié)。