如何预防IGBT模块损坏

1、本文格式为Word版，下载可任意编辑如何预防IGBT模块损坏 IGBT用于开关很多产品中的电源，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，它们很简单被视为电气产品而非电子产品，因此人们会认为它们并不简单受损。然而，有许多不同的失效机制会导致IGBT损坏，除非在设计过程中非常专心，确保器件的正确操作。 与全部器件一样，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

2、装，所以毫不特别特别多的失效是由人为操作不当引起。要防止IGBT消失此类失效，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缘由。针对此问题有集成的解决方案可供使用，但也有简洁、低成本的解决方案，即在沟通输出端使用电流传感器进行测量来实现，而大多数客户更情愿选择低成本的方案。 其他的主要失效机制有短路、di/dt过高、dv/dt过高以及门极-放射极和集电极-放射极过压。行业所需要的就是针对这些失效机制的爱护功能，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牢靠爱

3、护机制，能够解决这些问题，从而为IGBT模块供应强有力的爱护。 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爱护功能的光耦IC。圆满的是，这种方法有两个劣势。第一，具有退饱和爱护功能的光耦IC还要求采纳高压二极管，而这种二极管不仅成本昂贵，而且损耗也高。其次，或许更重要的是，所需的退饱和监控电子元件通常对EMI或Vce电压尖峰很敏感。这可以导致短路爱护误动作，导致IGBT意外关断。 而Power Integrations的IGBT驱动器则采纳了不同的方法。他们选用ASIC芯片组以削减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

4、控和掌握功能。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爱护误触发，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/dt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爱护的灵敏度，从而适应特定的应用。 高级/动态高级有源钳位 SCALE?-2芯片组还用于实现简单的有源钳位技术，以应对前面提到的其他IGBT失效模式di/dt过高、dv/dt过高以及门极-放射极和集电极-放射极过压。 基本有源钳位（图3中的方框AC）在关断时可限制I

5、GBT的VCE。IGBT会在其VCE超过预设的阈值时马上部分导通，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-放射极过压。在SCALE?-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上升，与GL相连的驱动器的推动级的关断MOSFET就会被逐步关断。这样会削减从IGBT门极流出并流入COM的电荷，该电荷流经关断门极电阻Rg,off。这不仅能减小IGBT关断时集电极-放射极过压，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/

6、dt feedback）。其作用是，在正常开关工作中实现特别有效的关断过压限制，而不会造成TVS热过载。在集电极-放射极电压上升时，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供应支持，由于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。通过采纳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。假如设置正确，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的反向偏置平安工作区(RBSOA)。并且，不需要使用汲取电容。 Power Integrations已将钳位技术提升到了新

7、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导通开头，到IGBT发出关断指令后的大约15-20us内，帮助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，帮助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，但无需担忧不行避开的直流母线电压短时上升所

8、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，这些应用要求掌握IGBT关断时的di/dt，确保IGBT能够在反向偏置平安工作区(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，更为简洁的选项是软关断(SSD)，由于它具有不需要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。它爱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始终低于VCES（半导体的阻断电压力量）。 VCE退饱和在P1时间（绿线）内可见，由于采纳轨到轨输出技术，VGE（门极-放射极电压，粉色线）始终特别稳定。经过P1（约5 s）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，最初会消失较小的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快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，然后再次消失较小的VCE过压。整个短路检测和平安关断时间不到10 s。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 Integrations的SCALE?-2芯片