IGBT的保护功能

IGBT的保护功能1.IGBT的过流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。2．IGBT开关过程中的过电压关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时将会使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IGBT的开通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小开通损耗，承受较高的开通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其开通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。3．IGBT的关断缓冲吸收电路为了使IGBT关断过电压能得到有效的抑制并减小关断损耗，通常都需要给IGBT主电路设置关断缓冲吸收电路。IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型。充放电型有RC吸收和RCD吸收2种。RC吸收电路因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，还会造成过冲电压。RCD电路因用二极管旁路了电阻上的充电电流，从而克服了过冲电压。图4是三种放电阻止型吸收电路。放电阻止型缓冲电路中吸收电容Cs的放电电压为电源电压，每次关断前，Cs仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗。因电容电压在IGBT关断时从电源电压开始上升，它的过电压吸收能力不如RCD型充放电型。IGBT是绝缘栅双极型晶体管（IsolatedGateBipolarTransistor）,它是八十年代初诞生，九十年代迅速发展起来的新型复合电力电子器件。IGBT将MOSFET与GTR的优点集于一身，既有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、电压驱动型，又具有通态压降低、高电压、大电流的优点。因此，IGBT的新技术、新工艺不断有新的突破；应用频率硬开关5KHz～40KHz，软开关40KHz～150KHz；功率从五千瓦到几百千瓦！IGBT器件将不断开拓新的应用领域，为高效节能、节材，为新能源、工业自动化(高频电焊机,高频超声波,逆变器,斩波器,UPS/EPS,感应加热)提供了新的商机。1．IGBT的驱动条件驱动条件与IGBT的特性密切相关。设计栅极驱动电路时，应特别注意开通特性、负载短路能力和dUds／dt引起的误触发等问题。正偏置电压Uge增加，通态电压下降，开通能耗Eon也下降，分别如图2－62a和b所示。由图中还可看出，若十Uge固定不变时，导通电压将随漏极电流增大而增高，开通损耗将随结温升高而升高。负偏电压一Uge直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，－Uge与集电极浪涌电流和关断能耗Eoff的关系分别如图2－63a和b所示。门极电阻Rg增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减少，则又使di/dt增大，可能引发IGBT误导通，同时Rg上的损耗也有所增加。具体关系如图2-64。由上述不难得知：IGBT的特性随门板驱动条件的变化而变化,就象双极型晶体管的开关特性和安全工作区随基极驱动而变化一样。但是IGBT所有特性不能同时最佳化。双极型晶体管的开关特性随基极驱动条件（Ib1，Ib2）而变化。然而，对于IGBT来说，正如图2－63和图2－64所示，门极驱动条件仅对其关断特性略有影响。因此，我们应将更多的注意力放在IGBT的开通、短路负载容量上。对驱动电路的要求可归纳如下：l）IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2．5～5V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷非常敏感故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Uge,有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。3）驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4）驱动电平十Uge也必须综合考虑。＋Uge增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中Uge应选得小些，一般选12～15V。5）在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏压Uge,但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取——1v———10V。6）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制出di/dt形成的尖峰电压，确保IGBT的安全。7）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。8）IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干扰能力。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通.反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使IGBT关断.IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极N一沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性.当MOSFET的沟道形成后,从P+基极注入到N一层的空穴(少子),对N一层进行电导调制,减小N一层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压.IGBT的工作特性包括静态和动态两类:1．静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性.IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线.输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制,Ugs越高,Id越大.它与GTR的输出特性相似．也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分.在截止状态下的IGBT,正向电压由J2结承担,反向电压由J1结承担.如果无N+缓冲区,则正反向阻断电压可以做到同样水平,加入N+缓冲区后,反向关断电压只能达到几十伏水平,因此限制了IGBT的某些应用范围.IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线.它与MOSFET的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时,IGBT处于关断状态.在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内,Id与Ugs呈线性关系.最高栅源电压受最大漏极电流限制,其最佳值一般取为15V左右.IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系.IGBT处于导通态时,由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管,所以其B值极低.尽管等效电路为达林顿结构,但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分.此时,通态电压Uds(on)可用下式表示Uds(on)＝Uj1+Udr+IdRoh(2-14)式中Uj1——JI结的正向电压,其值为0.7~IV;Udr——扩展电阻Rdr上的压降;Roh——沟道电阻.通态电流Ids可用下式表示:Ids=(1+Bpnp)Imos(2-15)式中Imos——流过MOSFET的电流.由于N+区存在电导调制效应,所以IGBT的通态压降小,耐压1000V的IGBT通态压降为2~3VIGBT处于断态时,只有很小的泄漏电流存在.2．动态特性IGBT在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET来运行的,只是在漏源电压Uds下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间.td(on)为开通延迟时间,tri为电流上升时间.实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)tri之和.漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成,如图2-58所示IGBT在关断过程中,漏极电流的波形变为两段.因为MOSFET关断后,PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟时间,trv为电压Uds(f)的上升时间.实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图2-59中的t(f1)和t(f2)两段组成,而漏极电流的关断时间t(off)=td(off)+trv十t(f)(2-16)式中,td(off)与trv之和又称为存储时间.平波电抗器在整流电路中是个重要元件，其主要作用是：1.限制短路电流,保护变流器件。2.阻断中频分量对工频电网的干扰。3.降低直流电流的脉冲幅度，保持整流电流的连续。我公司已为众多中高频设备配套厂家建立了长期配套合作关系，拥有一批经验丰富的专业技术人才,可以根据客户提出的技术要求和参数设计,制造各类非标、特种、专用的中高频设备配套用电抗器和变压器,电感量从0.01mH～50mH，电流从50A～20000A，匹配电源功率从50KW到2000KW。◆适用场所适用于中高频设备（如中频炉）、电化（电解）、变频、牵引、直流输电、电镀、喷涂、电加工、充电、励磁、传动及静电除尘及一般工业用整流电源等行业。◆规格范围：电感量从0.001mH～50mH，电流从50A～20000A◆绝缘等级:F级或H级◆频率：30Hz-800Hz