如何预防IGBT模块损坏

1、如何预防IGBT模块损坏IGBT用于开关许多产品中的电源，这些产品包括变频驱动器（VFD）、 伺服驱动器、电动汽车、巴士和卡车、火车、医疗设备（X光和MRI）、 空调甚至一些专业音频系统等。这些产品都属于“大功率”应用，它 们很容易被视为电气产品而非电子产品，因此人们会认为它们并不容 易受损。然而，有很多不同的失效机制会导致IGBT损坏，除非在设 计过程中格外用心，确保器件的正确操作。与所有器件一样，运行环境（温度、热冲击、热和功率循环以及振动） 可造成IGBT失效。ESD （静电放电）也是一个失效因素。由于IGBT 和门极驱动器往往由机柜安装人员而非电子专业人员进行安装，所以 毫不出奇非常多

2、的失效是由人为操作不当引起。要防止IGBT出现此 类失效，主要在于严格遵循安装指南，并确保器件在规定的操作条件 下工作。过流是另一个潜在的失效原因。针对此问题有集成的解决方案可供使 用，但也有简单、低成本的解决方案，即在交流输出端使用电流传感 器进行测量来实现，而大多数客户更愿意选择低成本的方案。其他的主要失效机制有短路、di/dt过高、dv/dt过高以及门极-发射 极和集电极-发射极过压。行业所需要的就是针对这些失效机制的保 护功能，当功率水平达到100 kW且系统成本较为昂贵时尤为需要， 因此Power Integrations等IGBT驱动器厂商已在其产品中集成了创 新的可靠保护机制，能

3、够解决这些问题，从而为IGBT模块提供强有 力的保护。短路一种常用的检测短路从而在IGBT损坏之前将其关断的方法是，使用 一个集成了退饱和保护功能的光耦ICo遗憾的是，这种方法有两个 劣势。第一，具有退饱和保护功能的光耦IC还要求采用高压二极管, 而这种二极管不仅成本昂贵，而且损耗也高。第二，也许更重要的是, 所需的退饱和监控电子元件通常对EMI或Vee电压尖峰很敏感。这可 以导致短路保护误动作，导致IGBT意外关断。短路情况1和情况2由忆咏保护电路点控由忆闻保护电路监控”5. diangon. com而Power Integrations的IGBT驱动器则采用了不同的方法。他们选 用ASIC

4、芯片组以减少元件数量并缩小尺寸，同时提高性能、效率和 可扩展性。该芯片组还具备先进的监控和控制功能。为解决短路测量 问题，使用SCALE?-2芯片组和电阻串来动态测量IGBT的VCE,请参 见图2。这不仅意味着小的电压尖峰不会导致短路保护误触发，而且 还拥有其他优势。电阻串方法比标准二极管测量方法的成本低，并且 没有耦合电容，因此没有影响效率的多余电容，也不受dv/dl影响。 更进一步的优势是，可以使用一个参考管脚轻松调整短路保护的灵敏 度，从而适应特定的应用。高级/动态高级有源钳位SCALE?-2芯片组还用于实现复杂的有源钳位技术，以应对前面提到 的其他IGBT失效模式di/dt过高、dv/

5、dt过高以及门极-发射极和集电极-发射极过压。基本有源钳位（图3中的方框AC）在关断时可限制IGBT的VCE。IGBT 会在其VCE超过预设的阈值时立即部分导通，然后维持在线性区内工 作，因此可降低集电极电流的下降速率，进而限制集电极-发射极过 压。在SCALE7-2技术中，高级有源钳位（AAC）反馈（图3中的方框 AC和AAC）是由驱动器的副方ASIC实现的。只要电阻R2右侧的电位 因有源钳位动作而升高，与GL相连的驱动器的推动级的关断MOSFET 就会被逐步关断。这样会减少从IGBT门极流出并流入COM的电荷， 该电荷流经关断门极电阻Rg,off0这不仅能减小IGBT关断时集电极 -发射极

6、过压，还可降低TVS损耗，从而提高效率。SCALE-2驱动器中还实现了 dv/dt反馈功能（图3中的dv/dt feedback）o其作用是，在正常开关工作中实现非常有效的关断过压 限制，而不会造成TVS热过载。在集电极-发射极电压升高时，由产 生的电流会流入与TVS并联的dv/dt反馈电容。该电流将进一步为高 级有源钳位提供支持，因为它流入同一个驱动器端子，但会早于高级 有源钳位的TVS动作。通过采用这种额外的驱动方法，VCE电压的钳 位变得更有效，TVS损耗更低。如果设置正确，IGBT可以在此操作模 式下连续工作。因此，可以在更大的直流母线杂散电感下开关IGBT 模块，而不会超出IGBT的

7、反向偏置安全工作区（RBSOA）。并且，不需 要使用吸收电容。Power Integrations已将钳位技术提升到了新的水平：动态高级有 源钳位（DA2C）增加了额外的TVS二极管（图3中的方框DA2C）,与高 级有源钳位中使用的TVS串联。从IGBT导通开始，到IGBT发出关断 指令后的大约15-20us内，辅助IGBT Q0都处于打开状态，将这个额 外的TVS短接，以降低有源钳位的门槛值，确保获得高效的有源钳位（在IGBT关断过程中额外的TVS不工作）。在经过该15-20us的延迟 时间后，辅助IGBT Q0关断，这个加装的TVS被激活，驱动器的有源 钳位的门槛值被提高，这样可以允许直流

8、母线电压在IGBT关断期间 上升到更高的值。这意味着，紧急停机后变换器系统的输出电感会消 磁，但无需担心不可避免的直流母线电压短时升高所造成的影响。软关断AAC和DA2C都适合具有高换流杂散电感的应用，这些应用要求控制 IGBT关断时的di/dt,确保IGBT能够在反向偏置安全工作区（RBSOA） 内工作。但对于有些应用，例如具有低换流杂散电感和IGBT关断过 冲处于RBSOA内的应用，更为简单的选项是软关断（SSD）,因为它具 有不需要TVS二极管执行有源钳位的优势。软关断（SSD）会在检测到 短路后激活。它保护半导体免遭损坏的实现方式是，通过限制短路持 续时间和电流斜率，从而使瞬时VCE始

9、终低于VCES （半导体的阻断 电压能力）。VCE退饱和在P1时间（绿线）内可见，由于采用轨到轨输出技术，VGE （门极-发射极电压，粉色线）始终非常稳定。经过P1 （约5 us） 后，VGE在特定时间（tFSSD）内被限定到较低值。在tFSSD期间，IC（短路电流）被限制，最初会出现较小的VCE过压。在P3期间，半 导体的门极进一步放电。在放电过程即将完成时，门极会连接到COM, VGE迅速下降到关断负电压，剩余的门极电荷被移除，短路电流被切 断，然后再次出现较小的VCE过压。整个短路检测和安全关断时间不 到 10 u So Power Integrations 通过新版 SCALE-2 技术 SCALE-2+做 到了这一点，该技术可实现AAC/DA2c或SSD功能。集成Power Integration