IGBT絕緣柵雙極晶體管是典型的雙極MOS復合功率器件。它結合了功率MOSFET的工藝技術，將功率MOSFET和功率管GTR集成在同一芯片上。該器件具有開關頻率高、輸入阻抗大、熱穩定性好、驅動電路簡單、飽和電壓低、電流大等特點，廣泛用作工業控制、電力電子系統等領域的功率器件(如伺服電機調速、變頻電源等)。為了使我們設計的系統更加安全可靠地工作，對IGBT的保護尤為重要。

　　目前，在IGBT的使用和設計過程中，基本采用的是粗放式的設計模式——要求的裕量大，系統龐大，但仍然無法抵御外界的干擾和自身系統造成的各種故障問題。瞬時閃電子公司利用其在半導體領域的生產和設計優勢，結合了瞬態抑制二極管的特性。在研究IGBT失效機理的基礎上，通過整合系統內外，突破設計瓶頸。本文將突破傳統的保護模式，探討IGBT系統電路保護設計的解決方案。

　　IGBT故障場合:雜散電感、電機的感應電動勢和來自系統內部的負載突變，如電力系統，都會引起過電壓和過電流；來自系統外部，如電網波動、電力線感應、浪涌等。歸根結底，IGBT的失效主要是由集電極和發射極的過壓/過流以及柵極的過壓/過流引起的。

　　IGBT的失效機理:如果IGBT由于上述原因短路，會產生很大的瞬態電流——關斷時電流變化率di/dt過大。漏電感和引線電感的存在會導致IGBT集電極過電壓，在器件內部產生閉鎖效應，使IGBT閉鎖失效。同時，較高的過電壓會使IGBT擊穿。由于上述原因，IGBT進入放大區，增加了電子管的開關損耗。

　　IGBT傳統的故障預防機制:最小化主電路的布線電感和電容，以降低關斷過電壓；集電極和發射極之間放置一個續流二極管，RC電路和RCD電路并聯。在電網中，根據電路容量合理選擇串聯阻抗，并聯齊納二極管，防止電網過電壓。

　　IGBT故障保護

　　1.集電極過壓過流保護，以IGBT變頻調速電源主電路為例(圖1)。

　　在集電極和發射極之間并聯RC濾波電路可以有效抑制關斷過電壓和開關損耗。但在實際應用中，由于DC電源前端的浪涌會對集電極產生過電壓，使RC濾波電路的抑制作用生效，所以IGBT通常會被擊穿或短路。另外，電機啟動時，分布在主線上的電感也會在很大程度上引起感應過電壓，損壞IGBT。與此同時，電機勵磁產生的感應電動勢也對電路造成了相當大的損害——工程師往往沒有考慮到這一點。

　　針對以上情況，浪涌部分可以采用防雷電路保護(圖2)。瞬雷電子研發的藍寶寶浪涌抑制器(BPSS)具有極大的過流能力和極低的雷擊殘壓。同時，對于電機部分，根據ISO7637的相關標準，該產品完全可以使用。但是使用其他設備無法同時實現以上兩種情況。具體問題如下:壓敏電阻在ISO7637長波(P5A)容易失效，不適合長期使用；陶瓷放電管不能直接用于有源電路，常因續流問題導致短路，抑制電壓過高。

　　2.電網過壓和過流保護

　　傳統保護模式:保護方案防止柵電荷積累和柵源電壓峰值對IGBT的破壞——可以在G電極和E電極之間設置一些保護元件。下圖所示的電阻RGE的作用是將柵極上積累的電荷放電(其電阻值可以是5kω)；反向串聯的兩個齊納二極管V1和V2被設計成防止柵源電壓尖峰損壞IGBT。此外，還提供了控制電路與被驅動IGBT之間的隔離設計，以及適合門電路的驅動脈沖電路設計。然而，即便如此，在實際的工業環境中，上述方案仍然具有相對較高的產品故障率——有時甚至超過5%。相關實驗數據和研究表明，這與瞬態浪涌、靜電和高頻電子干擾密切相關。 而穩壓器的響應時間和電流電阻遠遠不夠，導致IGBT過熱而損壞。

　　新的保護模式:將傳統的電壓調節器改為一種新型的瞬態抑制二極管(TVS)。一般柵極驅動電壓在15V左右，可以選擇SMBJ15CA。本產品可通過10/700US 6kV的IEC61000-4-5浪涌測試。

　　TVS反應速度非?？?PS級)，電流流通能力遠超齊納二極管(高達數千安培)。同時，TVS具有非常好的靜電抑制效果。產品能通過8kV IEC61000-4-2接觸放電和15kV空氣放電的放電試驗。

　　傳統電阻RG改為正溫度系數(PPTC)導線。它不僅有電阻的作用，而且對溫度很敏感。當內部電流增大時，其阻抗也增大，對過流有非常好的抑制作用。

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