变频电源驱动电路中IGBT的保护

    由于IGBT工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到变频电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是变频电源设计时需要重点考虑的一个环节。在进行电路设计时，应针对影响IGBT可靠性的因素，有的放矢地采取相应的保护措施。    (1) IGBT栅极的保护。IGBT的栅极一发射极驱动电压UGE的保证值为±20V，如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极一发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开的情况下给主电路加上电压，则IGBT就可能会损坏。为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kQ的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极，如图3-9所示。
    图3-9    栅极保护电路    由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体，特别是其栅极为MOS结构，因此除了上述应有的保护之外，就像其他MOS结构器件一样，IGBT对于静电电压也是十分敏感的。为此，在对IGBT进行装配焊接作业时也必须注意以下事项：    1)在需要用手接触IGBT前，应先将人体上的静电放电后再进行操作，并尽量不要接触模块的驱动端子部分，必须接触时要保证此时人体上所带的静电已全部放掉。    2)在焊接作业时，为了防止静电可能损坏IGBT，焊机一定要可靠地接地。    (2)集电极与发射极间的过压保护。集电极与发射极间过电压的产生主要有两种情况，一种是施加到IGBT集电极一发射极间的直流电压过高，另一种为集电极一发射极上的浪涌电压过高。    1)直流过电压保护。直流过压产生的原因是由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT时，进行降额设计；另外，可在检测出这一过压时分断IGBT的输入，保证IGBT的安全。    2)浪涌电压的保护。因为电路中分布电感的存在，加之IGBT的开关速度较高，当IGBT关断时及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt，威胁IGBT的安全。通常IGBT的浪涌电压波形如图3-10所示。图中uce为IGBT集电极一发射极间的电压波形；ic为IGBT的集电极电流；Ud为输入IGBT的直流电压；UCESP=Ud+Ldic/dt，为浪涌电压峰值。
    图3-10    IGBT的浪涌电压波形    如果UCESP超出IGBT的集电极一发射极间耐压值UCES，就可能损坏IGBT。解决的办法主要有：    a)在选取IGBT时考虑设计裕量。    b)在电路设计时调整IGBT驱动电路的Rg，使di/dt尽可能小。    c)尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感。    d)根据情况加装缓冲保护电路，旁路高频浪涌电压。    由于缓冲保护电路对IGBT的安全工作起着很重要的作用，在此将缓冲保护电路的类型和特点作一介绍。    1)C缓冲电路。如图3-11 (a)所示，采用薄膜电容，靠近IGBT安装，其特点是电路简单，其缺点是由分布电感及缓冲电容构成LC谐振电路，易产生电压振荡，而且IGBT开通时集电极电流较大。    2) RC缓冲电路。如图3-11 (b)所示，其特点是适合于斩波电路，但在使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻值增大，否则，开通时集电极电流过大，使IGBT功能受到一定限制。
    图3-11    缓冲保护电路    (a)C缓冲电路；(b)RC缓冲电路；(c) RCD缓冲电路；    (d)放电阻止型缓冲电路    3) RCD缓冲电路。如图3-11 (c)所示，与RC缓冲电路相比其特点是，增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题。该缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗为      (3-1)式中 L-主电路中的分布电感；    I-IGBT关断时的集电极电流；    f-IGBT的开关频率；    C-缓冲电容；    Ud-直流电压值。    4)放电阻止型缓冲电路如图3-11 (d)所示，与RCD缓冲电路相比其特点是，产生的损耗小，适合于高频开关。在该缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗为      (3-2)    在IGBT保护电路设计时，根据实际情况选取适当的缓冲保护电路，抑制关断浪涌电压。在进行装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好。    (3) IGBT的关断缓冲吸收电路。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，导致在IGBT关断时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。    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吸收两种。如图3-12所示。
    图3-12    充电型IGBT缓冲吸收电路    (a) RC型；(h) RCD型    图3-12 (a)所示为RC充放电型电路，RC充放电型电路因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，还会造成过冲电压。图3-12 (b)所示为RCD充放电型电路，RCD充放电型电路因采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3-13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充放电型。从吸收过电压的能力来说，放电阻止型吸收效果稍差，但能量损耗较小。对缓冲吸收电路的要求是：
    图3-13    三种放电阻止型吸收电路    (a) LC型；(b) RLCD型；(c)复式RLCD型    1)尽量减小主电路的布线电感La。    2)吸收电容应采用低感吸收电容，它的引线应尽量短，最好直接接在IGBT的端子上。    3)吸收二极管应选用快开通和软恢复二极管，以免产生开通过电压和反向恢复引起较大的振荡过电压。