資料介紹
隨著電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展,高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)因其具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)損耗低及工作頻率高等特點(diǎn),而越來(lái)越多地應(yīng)用到工作頻率為幾十kHz以下,輸出功率從幾kW到幾百kW的各類電力變換裝置中。IGBT逆變器中最重要的環(huán)節(jié)就是高性能的過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。專用驅(qū)動(dòng)模塊都帶有過(guò)流保護(hù)功能。一些分立的驅(qū)動(dòng)電路也帶有過(guò)電流保護(hù)功能。在工業(yè)應(yīng)用中,一般都是利用這些瞬時(shí)過(guò)電流保護(hù)信號(hào),通過(guò)觸發(fā)器時(shí)序邏輯電路的記憶功能,構(gòu)成記憶鎖定保護(hù)電路,以避免保護(hù)電路在過(guò)流時(shí)的頻繁動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)可取的過(guò)流保護(hù)。本文分析了大功率可控整流電壓型逆變器中封鎖驅(qū)動(dòng)及整流拉逆變式雙重保護(hù)電路結(jié)構(gòu)。
IGBT失效原因和保護(hù)方法
IGBT失效原因分析
引起IGBT失效的原因有:
1)過(guò)熱損壞集電極電流過(guò)大引起的瞬時(shí)過(guò)熱及其它原因,如散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)過(guò)熱均會(huì)使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路,大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升,由于芯片的熱容量小,其溫度迅速上升,若芯片溫度超過(guò)硅本征溫度(約250℃),器件將失去阻斷能力,柵極控制就無(wú)法保護(hù),從而導(dǎo)致IGBT失效[1]。實(shí)際運(yùn)行時(shí),一般最高允許的工作溫度為130℃左右。
2)超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN4層結(jié)構(gòu),其等效電路如圖1所示。體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管,在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs,P型體內(nèi)的橫向空穴電流在Rs上會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降,對(duì)NPN基極來(lái)說(shuō),相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi),這個(gè)正偏置電壓不大,對(duì)NPN晶體管不起任何作用。當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí),該正向電壓足以使NPN晶體管開(kāi)通,進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是,寄生晶閘管導(dǎo)通,門(mén)極失去控制作用,形成自鎖現(xiàn)象,這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后,集電極電流增大,產(chǎn)生過(guò)高功耗,導(dǎo)致器件失效。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快,dvCE/dt很大,引起較大位移電流,流過(guò)Rs,產(chǎn)生足以使NPN晶體管開(kāi)通的正向偏置電壓,造成寄生晶閘管自鎖[2]。

3)瞬態(tài)過(guò)電流IGBT在運(yùn)行過(guò)程中所承受的大幅值過(guò)電流除短路、直通等故障外,還有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過(guò)電流雖然持續(xù)時(shí)間較短,但如果不采取措施,將增加IGBT的負(fù)擔(dān),也可能會(huì)導(dǎo)致IGBT失效。
IGBT失效原因和保護(hù)方法
IGBT失效原因分析
引起IGBT失效的原因有:
1)過(guò)熱損壞集電極電流過(guò)大引起的瞬時(shí)過(guò)熱及其它原因,如散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)過(guò)熱均會(huì)使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路,大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升,由于芯片的熱容量小,其溫度迅速上升,若芯片溫度超過(guò)硅本征溫度(約250℃),器件將失去阻斷能力,柵極控制就無(wú)法保護(hù),從而導(dǎo)致IGBT失效[1]。實(shí)際運(yùn)行時(shí),一般最高允許的工作溫度為130℃左右。
2)超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN4層結(jié)構(gòu),其等效電路如圖1所示。體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管,在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs,P型體內(nèi)的橫向空穴電流在Rs上會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降,對(duì)NPN基極來(lái)說(shuō),相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi),這個(gè)正偏置電壓不大,對(duì)NPN晶體管不起任何作用。當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí),該正向電壓足以使NPN晶體管開(kāi)通,進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是,寄生晶閘管導(dǎo)通,門(mén)極失去控制作用,形成自鎖現(xiàn)象,這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后,集電極電流增大,產(chǎn)生過(guò)高功耗,導(dǎo)致器件失效。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快,dvCE/dt很大,引起較大位移電流,流過(guò)Rs,產(chǎn)生足以使NPN晶體管開(kāi)通的正向偏置電壓,造成寄生晶閘管自鎖[2]。

3)瞬態(tài)過(guò)電流IGBT在運(yùn)行過(guò)程中所承受的大幅值過(guò)電流除短路、直通等故障外,還有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過(guò)電流雖然持續(xù)時(shí)間較短,但如果不采取措施,將增加IGBT的負(fù)擔(dān),也可能會(huì)導(dǎo)致IGBT失效。
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