大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流保护方案解析

　随着电力电子器件制造技术的发展，高性能、大容量的绝缘栅双极晶体管（IGBT）因其具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、开关损耗低及工作频率高等特点，而越来越多地应用到工作频率为几十kHz以下，输出功率从几kW到几百kW的各类电力变换装置中。IGBT逆变器中最重要的环节就是高性能的过流保护电路的设计。专用驱动模块都带有过流保护功能。一些分立的驱动电路也带有过电流保护功能。在工业应用中，一般都是利用这些瞬时过电流保护信号，通过触发器时序逻辑电路的记忆功能，构成记忆锁定保护电路，以避免保护电路在过流时的频繁动作，实现可取的过流保护。本文分析了大功率可控整流电压型逆变器中封锁驱动及整流拉逆变式双重保护电路结构。
　　IGBT失效原因和保护方法
　　IGBT失效原因分析
　　引起IGBT失效的原因有：
　　1）过热损坏集电极电流过大引起的瞬时过热及其它原因，如散热不良导致的持续过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度（约250℃），器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效［1］。实际运行时，一般最高允许的工作温度为130℃左右。
　　2）超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN4层结构，其等效电路如图1所示。体内存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs，P型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电压降，对NPN基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，对NPN晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。IGBT发生擎住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，引起较大位移电流，流过Rs，产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁［2］。
　　
　　3）瞬态过电流IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措施，将增加IGBT的负担，也可能会导致IGBT失效。