大功率igbt击穿故障研究和驱动保护电路设计

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1、大功率IGBT击穿故障研究和驱动保护电路设计摘要：该文通过对IGBT组成的H桥在大功率高速开关条件下进行大量实验，列举了IGBT发生击穿故障的多种原因，结合IGBT器件的结构分析其击穿过程及击穿表现,并通过计算提出了一种输出波形稳定的IGBT驱动电路以及相应的保护电路。关键词：击穿驱动保护中图分类号：0453文献标识码：A文章编号:1674-098X(2012)12(b)-00-02目前，大功率电源技术的发展向着小型、高频方向迈进,其功率开关部分多采用IGBT来实现，但是由于功率的增大、开关频率的增高及设备体积的减小，使得IGBT发生击穿甚至炸管的故障率显著增加，该文通过使IGBT工作在500

2、V/10KHz条件下进行的各项试验，对不同原因导致的击穿现象进行分析总结，论述了不同情况下击穿的根本原因及表现形式，提出了一种IGBT驱动保护电路，经实际验证，此电路运行稳定，保护动作快速有效。IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有载流密度大，开关速率快，驱动功率小而饱和压降低的优点。非常适合应用于直流电压为600V及以上的大功率逆变系统，在工业领域有着广泛的应用。1击穿原因分析由于该器件经常应用于大功率及开关速率快的场合，因此发生击穿甚至炸管的几率非常高，究其根本击穿原因有以下三点：过压击穿、过流击穿、过温击穿。1.1过压

3、击穿引起过压击穿的原因有很多，比如负载、线路、元器件的分布电感的存在，导致IGBT在由导通状态关断时，电流Ic突然变小，将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压Uce=LXdic/dt,此电压若大于IGBT的耐压值，则会击穿IGBT；另外，静电、负载变化、电网的波动、驱动电路失效开路以及外部电磁干扰都可能引起电压击穿。过压击穿分为两个步骤：(1)IGBT的雪崩击穿；(2)IGBT短路。第一步：雪崩击穿，当IGBT的栅极电压为零或负时，处于正向阻断状态，此时若IGBT承受外部阻断电压较高，耗尽层的电场强度随电压升高而升高，就会在耗尽层产生大量的电子和空穴，当电场强度超过临界值时，外部阻断电

4、压会使中性区边界漂移进来的载流子加速获得很高的动能，这些高能载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞时使之电离，产生新的电子-空穴对。新生的电子-空穴对立即被强电场分开并沿相反方向加速，进而获得足够动能使另外的点阵原子电离，产生更多的电子-空穴对，载流子在空间电荷区倍增下去，反向电流迅速增大，发生雪崩击穿，直至PN结损坏。这个使得PN结电场增强到临界值的外部电压称为IGBT的雪崩击穿电压。第二步：IGBT短路，IGBT的雪崩击穿是一个可逆过程,不会立即导致IGBT损坏，此过程如果通过增加吸收回路等方法使过压时间控制在10个电压脉冲周期以内，IGBT不会表现为不可逆的击穿状态，但如果吸收回路没能在短时间

5、内吸收浪涌电压，那么IGBT则会表现为集电极发射极短路状态（静电击穿门级表现为门级发射极短路），此状态不可逆。1.2过流击穿导致IGBT过流击穿的原因多为负载短路、负载对地短路，此外，由于驱动电路故障、外界干扰等造成的逆变桥桥臂不正确导通也是过流击穿的一大原因。IGBT有一定抗过电流能力，但时间要控制在10us以内。IGBT内部有一个寄生晶闸管，所以有擎住效应。在规定的发射极电流范围内，NPN的正偏压不足以使其导通，当发射极电流大到一定程度时，这个正偏压会使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态，导致寄生晶闸管开通，此时门极会失去控制作用，便发生了擎住效应，IGBT发生擎住效

6、应后，发射极电流过大造成了过高的功耗，最后导致器件的损坏。过流击穿多表现为可见性炸管。1.3过温击穿IGBT的最大工作温度一般为175°C,但实际应用中结温的最髙温度要控制在150°C以下，一般最好不要超过130°C,否则高温会引起外部器件热疲劳以及IGBT稳定性变差，经过实际验证IGBT长时间工作在40£左右为宜。发生过温击穿的主要原因为散热设计不完善，电路设计原因为死区时间设置过短、控制信号受干扰导致的逆变桥臂瞬时短路、负载阻抗不匹配、驱动电压不足、IGET器件选型错误导致的和设计开关频率不匹配等。过温失效主要表现在以下几个方面：栅门槛电压VGE增大；CE动态压降VCE增大；动态导通时间增

7、大，关断时间减小；开关损耗增大。2驱动保护电路设计2.1驱动电路设计思路以K40T120(1200V/40A)型IGBT为例进行驱动电路设计：1.1.1确定门级电电容及驱动电压：用Cin=5Ciss进行计算，根据手册可查Ciss=2360pF,则Cin=2360X5=ll.8nF,根据Q=；idt=CinXAU计算驱动电压AU经查此IGBT门级电容Q=192nC,AU=Q/Cin=16.3V,因此