?大功率IGBT擊穿故障分析及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

        通過(guò)對(duì)igbt組成的h橋在大功率高速開(kāi)關(guān)條件下進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，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(guò)程及擊穿表現(xiàn)，并通過(guò)計(jì)算提出了一種輸出波形穩(wěn)定的igbt驅(qū)動(dòng)電路以及相應(yīng)的保護(hù)電路。

        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(kāi)關(guān)部分多采用igbt來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于功率的增大、開(kāi)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(guò)使igbt工作在500 v/10 khz條件下進(jìn)行的各項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)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(dòng)保護(hù)電路，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，此電路運(yùn)行穩(wěn)定，保護(hù)動(dòng)作快速有效。

   igbt是由bjt（雙極型三極管）和mos（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，具有載流密度大，開(kāi)關(guān)速率快，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低的優(yōu)點(diǎn)。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(kāi)關(guān)速率快的場(chǎng)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(diǎn)：過(guò)壓擊穿、過(guò)流擊穿、過(guò)溫?fù)舸?/span>

1.1 過(guò)壓擊穿引起過(guò)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(shí)，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(huì)擊穿igbt；另外，靜電、負(fù)載變化、電網(wǎng)的波動(dòng)、驅(qū)動(dòng)電路失效開(kāi)路以及外部電磁干擾都可能引起電壓擊穿。

過(guò)壓擊穿分為兩個(gè)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(shí)，處于正向阻斷狀態(tài)，此時(shí)若igbt承受外部阻斷電壓較高，耗盡層的電場(chǎng)強(qiáng)度隨電壓升高而升高，就會(huì)在耗盡層產(chǎn)生大量的電子和空穴，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界值時(shí)，外部阻斷電壓會(huì)使中性區(qū)邊界漂移進(jìn)來(lái)的載流子加速獲得很高的動(dòng)能，這些高能載流子在空間電荷區(qū)與點(diǎn)陣原子碰撞時(shí)使之電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新生的電子-空穴對(duì)立即被強(qiáng)電場(chǎng)分開(kāi)并沿相反方向加速，進(jìn)而獲得足夠動(dòng)能使另外的點(diǎn)陣原子電離，產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，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(gè)使得pn 結(jié)電場(chǎng)增強(qiáng)到臨界值的外部電壓稱(chēng)為igbt的雪崩擊穿電壓。

第二步：igbt短路，igbt的雪崩擊穿是一個(gè)可逆過(guò)程，不會(huì)立即導(dǎo)致igbt損壞，此過(guò)程如果通過(guò)增加吸收回路等方法使過(guò)壓時(shí)間控制在10個(gè)電壓脈沖周期以?xún)?nèi)，igbt不會(huì)表現(xiàn)為不可逆的擊穿狀態(tài)，但如果吸收回路沒(méi)能在短時(shí)間內(nèi)吸收浪涌電壓，那么igbt則會(huì)表現(xiàn)為集電極發(fā)射極短路狀態(tài)（靜電擊穿門(mén)級(jí)表現(xiàn)為門(mén)級(jí)發(fā)射極短路），此狀態(tài)不可逆。

1.2 過(guò)流擊穿

     導(dǎo)致igbt過(guò)流擊穿的原因多為負(fù)載短路、負(fù)載對(duì)地短路，此外，由于驅(qū)動(dòng)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(guò)流擊穿的一大原因。

    igbt有一定抗過(guò)電流能力，但時(shí)間要控制在10 us以?xún)?nèi)。igbt 內(nèi)部有一個(gè)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(shí)，這個(gè)正偏壓會(huì)使npn 晶體管開(kāi)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(kāi)通，此時(shí)門(mén)極會(huì)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(guò)大造成了過(guò)高的功耗，最后導(dǎo)致器件的損壞。過(guò)流擊穿多表現(xiàn)為可見(jiàn)性炸管。

1.3 過(guò)溫?fù)舸?nbsp;

igbt的最大工作溫度一般為175 ℃，但實(shí)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(guò)130 ℃，否則高溫會(huì)引起外部器件熱疲勞以及igbt穩(wěn)定性變差，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證igbt長(zhǎng)時(shí)間工作在40 ℃左右為宜。

   發(fā)生過(guò)溫?fù)舸┑闹饕驗(yàn)樯嵩O(shè)計(jì)不完善，電路設(shè)計(jì)原因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間設(shè)置過(guò)短、控制信號(hào)受干擾導(dǎo)致的逆變橋臂瞬時(shí)短路、負(fù)載阻抗不匹配、驅(qū)動(dòng)電壓不足、igbt器件選型錯(cuò)誤導(dǎo)致的和設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)頻率不匹配等。

     過(guò)溫失效主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：柵門(mén)檻電壓vge增大；ce動(dòng)態(tài)壓降vce增大；動(dòng)態(tài)導(dǎo)通時(shí)間增大，關(guān)斷時(shí)間減??；開(kāi)關(guān)損耗增大。

2 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)思路以k40t120（1200 v/40 a）型igbt為例進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)：

2.1.1 確定門(mén)級(jí)電電容及驅(qū)動(dòng)電壓：用cin=5 ciss進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)手冊(cè)可查ciss=2360 pf，則cin=2360×5=11.8 nf，根據(jù)q＝∫idt＝cin×δu計(jì)算驅(qū)動(dòng)電壓δu經(jīng)查此igbt門(mén)級(jí)電容q=192 nc，δu=q/cin=16.3 v，因此最小驅(qū)動(dòng)電壓為16.3 v。

2.1.2 確定門(mén)級(jí)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(guò)+20 v，原因是一旦發(fā)生過(guò)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(kāi)關(guān)噪聲時(shí)仍能可靠截止，一般選為5～15 v為宜。綜合最小驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓。

另外，驅(qū)動(dòng)電路還應(yīng)有門(mén)極電壓限幅功能，以防外界干擾及器件損壞等造成的門(mén)級(jí)過(guò)驅(qū)動(dòng)擊穿igbt。

2.1.3 確定驅(qū)動(dòng)電流及驅(qū)動(dòng)電阻：一般來(lái)講，igbt器件的耐壓耐流越大，igbt的門(mén)極和集電極間的等效電容越大，所需的電流越大，此外開(kāi)關(guān)頻率越大，所需門(mén)級(jí)電流越大。

k40t120的門(mén)級(jí)電流為200 ma，以20 v驅(qū)動(dòng)電壓計(jì)算，其最小驅(qū)動(dòng)電阻為20 v/200 ma=10 k，選擇10 k作為驅(qū)動(dòng)電阻。由器件的rg/td（on）td（off）曲線結(jié)合所需開(kāi)關(guān)頻率確定門(mén)級(jí)電阻為40 ω。

此外，igbt驅(qū)動(dòng)電路需要設(shè)計(jì)隔離電路（可采用光耦隔離或變壓器隔離），防止igbt擊穿時(shí)損壞驅(qū)動(dòng)電路或者中控電路，設(shè)計(jì)的思路是盡可能的簡(jiǎn)單實(shí)用，要有抗干擾能力，輸出阻抗越低越好。

2.2 igbt驅(qū)動(dòng)電路

由于電路中分布電感和分布電容對(duì)igbt高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)會(huì)有很大的影響，所以采用分級(jí)設(shè)計(jì)，前后級(jí)用雙絞線進(jìn)行連接。

   圖1所示為k40t120的前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路：由光耦進(jìn)行隔離，信號(hào)由光耦輸入，20 v電壓輸入經(jīng)整形變?yōu)?11/-9 v的驅(qū)動(dòng)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(shí)際情況進(jìn)行改變。

   圖2所示為igbt后級(jí)驅(qū)動(dòng)部分，以h橋單橋臂為例實(shí)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(mén)級(jí)電壓過(guò)高引起器件損毀。

2.3 igbt的保護(hù)

igbt的過(guò)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(mén)級(jí)電阻等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，此部分電路加裝在驅(qū)動(dòng)電路部分。igbt的過(guò)溫保護(hù)主要采用散熱片加風(fēng)冷的方式實(shí)現(xiàn)，并參考實(shí)際應(yīng)用參數(shù)（工作電流及環(huán)境溫度）進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此不再贅述。

igbt過(guò)流保護(hù)電路：

igbt具有一定的過(guò)流能力，但是過(guò)流時(shí)間不可超過(guò)10 us，要求過(guò)流保護(hù)電路要有高精度、快速反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，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(guò)設(shè)定電流立刻關(guān)斷驅(qū)動(dòng)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(wèi)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(shí)際需要接入波形發(fā)生電路或經(jīng)光耦隔離接入驅(qū)動(dòng)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(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)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(cè)及相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算驅(qū)動(dòng)電壓、電流，選定穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)電路，合理設(shè)計(jì)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。