IGBT应用中常见问题及解决方法

在关断过程一开始，vt立即从零上升到vcem， it在从i0下降至零期间， vt=vcem不变。直到it=0、id=i0以后，vt才下降为电源电压vd，如图5（b）所示。vcem超过vd的数值取决于lб、tfi和负载电流i0，显然过快的电流下降率di/dt（即tfi小）、过大的杂散电感lб或负载电流过大都会引起关断时元件严重过电压， 且伴随着很大的功耗。

可见，尽管igbt的快速开通和关断有利于缩短开关时间和减小开关损耗，但过快的开通和关断，在大电感负载下，反而是有害的，开通时，存在续流二极管反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，则开通越快，igbt承受的峰值电流也就越大，甚至急剧上升，导致igbt或者续流二极管损坏。关断时，大电感负载随igbt的超速开通和关断，将在电路中产生高频、幅值很高而宽度很窄的尖峰电压ldi/dt，常规的过电压吸收电路由于受到二极管开通速度的限制难以吸收该尖峰电压，因而vce陡然上升产生过冲现象，igbt将承受较高的dvce/dt冲击，有可能造成自身或电路中其它元器件因过电压击穿而损坏。

（3） 在开通和关断瞬间开关器件的状态运行轨迹超出反向安全工作区（rbsoa）;　　

反向安全工作区（rbsoa）是由最大集电极电流icm、最大集射极间电压vce和电压上升率dvce/dt三条极限边界线围成的，随igbt关断时的在加dvce/dt而改变，dvce/dt越高，rbsoa越窄，因此在开通和关断瞬间产生的高dvce/dt将会使开关器件的状态运行轨迹更容易超出rbsoa，影响开关可靠性。　　

（4） 二极管反向恢复时的dv/dt和igbt关断时的浪涌电压会在开关时产生过流。　　

众所周知，igbt存在弥勒电容ccg和输入电容cge，igbt两端的电压过冲会通过ccg耦合栅极，使栅极电压瞬时升高，因为栅极负偏压和输入电容cge的存在，这时栅极电压所达到的高度比集电极的过冲要低的多，但它还是可能超过门槛值而使本应截止的管子导通，因此上下桥臂直通而过电流。　　

如果由此引起的门极电压足以使管子进入饱和，则已不是直通而是短路了。在集电极电压过冲后的震荡衰减过程中这种过流或短路也会连续多次出现，实验证明这一现象确实存在。

4 常用的解决方法　　

对于以上问题，一般采取的实用性措施有：选用有效的过流保护电路、采用无感线路、积极散热、采用吸收路和软开关技术。　　

4.1 选用有效的过流保护驱动电路　　

在igbt的应用中，关键是过流保护。igbt能承受的过流时间仅为几微秒，这与scr、gtr（几十微秒）等器件相比要小得多，因而对过流保护的要求就更高了。igbt的过电流保护可分为两种类型，一种是低倍数（1.2~1.5倍）的过载电流保护;　　

另一种是高倍数（8~10倍）的短路电流保护。对于过载保护可采用瞬时封锁门极脉冲的方法来实现保护。对于短路电流保护，加瞬时封锁门极脉冲会因短路电流下降的di/dt太大，极易在回路杂散电感上感应出很高的集电极电压过冲击穿igbt，使保护失效。　　

因此对igbt而言，可靠的短路电流保护应具备下列特点：　　

（1） 首先应软降栅压，以限制短路电流峰值，延长允许短路时间，为保护动作赢得时间;　　

（2） 保护切断短路电流应实施软关断　　

igbt驱动器exb841、m57962和hl402b均能满足以上要求。但这些驱动器不能彻底封锁脉冲，如不采取措施在故障不消失情况下会造成每周期软关断保护一次的情况，这样产生的热积累仍会造成igbt的损坏。为此可利用驱动器的故障检测输出端通过光电耦合器来彻底封锁门极脉冲，或将工作频率降低至1hz以下，在故障消失时自动恢复至正常工作频率。　　

如图6所示，igbt的驱动模块m57962l上自带保护功能，检测电路检测到检测输入端1脚为15v高电平时，判定为电流故障，立即启动门关断电路，将输出端5脚置低电平，使igbt截止，同时输出误差信号使故障输出端8脚为低电平，以驱动外接保护电路工作，延时8~10μs封锁驱动信号，这样能很好地实现过流保护。经1~2ms延时后，如果检测出输入端为高电平，则m57962l复位至初始状态。

4.2 采用无感线路　　

由前面的分析可知，相对于同样的di/dt，如果减小杂散电感lб的数值，同样可以缓减关断过程的dvce/dt。对于功率较大的igbt装置，线路寄生电感较大，可用两条宽而薄的母排，中间夹一层绝缘材料，相互紧叠在一起，构成低感母线，也有专门的生产厂家为装置配套制作无感母线。无感母线降低电压过冲的意义不仅为了避免过流或短路，还在于减轻吸收电路的负担，简化吸收电路结构，减少吸收电阻功耗，减少逆变器的体积。这也是很令人关注的问题。　　

4.3 积极散热　　

igbt在开通过程中，大部分时间是作为mosfet来运行的，只是在集射电压vce下降过程后期，pnp晶体管由放大区至饱和区，增加