如何保护IGBT绝缘栅双极晶体管

　　许多产品的IGBT用于转换能量，包括逆变器，伺服器，电动汽车，公共汽车和卡车，火车，医疗设备（X射线和MRI设备），空调和专业的音频系统。

　　些产品被称为“高功率”应用，因此它们不像是耗能产品而是电子产品，并且其灵敏度较低。是，产品中存在不同的故障机制。

　　果在系统设计和运行期间未正确保护IGBT，则这些故障机制将损坏IGBT。所有设备一样，操作条件-温度，热冲击，热能和电能循环以及振动-可能会引起故障。电放电也会导致故障，但是我们通常看到的大多数故障是由于处理不当引起的。因可能是IGBT和门驱动器是由其他人安装的，而不是由电子设备人员安装的。了使IGBT不具有上述缺陷，必须遵循安装说明，并确保设备在规定的工作条件下大量工作。一个潜在的故障原因是过电流。管对此问题有一个完整的解决方案，但在交流输出端测量电流传感器也可用于实现简单且廉价的解决方案。果，大多数客户都不愿为额外的保护付费。他主要故障机制包括短路，高电流浪涌率，高电压浪涌率以及发射极栅极和发射极集电极之间的过大电压。业界必须专注于防止此类故障，尤其是当功率接近10 kW或更高且系统昂贵时。此，IGBT驱动器制造商（例如Power Integrations）已在其产品中安装了创新且可靠的集成保护机制，以解决上述问题，从而保护IGBT模块。1显示了在具有低电感（情况1）和高电感（情况2）的短路情况下IGBT的性能。用具有集成式去饱和保护功能的光耦合器集成电路是检测短路并在IGBT损坏之前将其熄灭的常用方法。幸的是，这种方法有两个缺点。先，具有去饱和保护功能的光耦合器集成电路还必须使用高压二极管，这不仅价格昂贵，而且损耗很大。次，这也可能是更重要的一点。于所需的电子去饱和检测设备通常对电磁干扰或VCE电压尖峰过于敏感，因此可能导致短路故障并导致IGBT意外停止。此，PowerIntegrations采用了另一种方法，该方法包括在IGBT驱动器中安装ASIC芯片组，以减少组件数量和尺寸，同时提高其性能，效率和可扩展性。ASIC芯片组还具有高级检测和控制功能。了解决短路测量问题，SCALE2芯片组和电阻器组用于动态测量IGBT的VCE（见图2）。不仅可以避免由较低的电压尖峰引起的误触发，还可以带来其他好处。如，与标准二极管检测方法相比，使用电阻组的方法较便宜，并且不需要耦合电容器。
　　此，不存在由于使用附加电容器而导致效率降低的问题，并且不会由于高电压下的上升速率而引起负面影响。外，使用定位销有助于根据特定应用调整设备的灵敏度。SCALE2芯片组还可用于采用先进的先进有源锁存技术来解决上述其他IGBT故障模式：高电流上升率，高电压上升率以及栅极与栅极之间的电压。射器和集电极发射器之间的电压过高。
　　止期间，基本有源钳位（请参见图3中的方框AC）限制IGBT的VCE。旦VCE电压超过预定义的阈值，IGBT就会部分点亮。后，电缆IGBT将保持线性运行，这将降低集电极的电流下降率并限制集电极发射极的过电压。用SCALE2技术，可通过飞行员的辅助ASIC获得钳位的高级主动反馈（请参见图3中的AC和AAC框）。旦电压由于有源钳位动作而增加，连接至GL的先导截止MOSFET将缓慢失活，这将减少IGBT栅极在COM中循环的负载。电荷通过截止门的电阻Rgoff。样可以减少IGBT关断时集电极和发射器之间的过电压，还可以降低TVS的功率损耗，从而提高效率。SCALE2飞行员还为高电压的上升速率实现了反馈功能（请参见图3中的dv / dt框）。的作用是在正常开关操作期间达到有效的停止过压极限，而不会引起TVS =晶体管的热过载。集电极和发射器之间的电压增加时，电流将流过电容器，且流向将平行于TVS = pole的方向。电流还可以向高级有源钳位提供能量，因为它在相同的先导端子中流动，但是在从有源钳位获得高级返回之前缓慢地流动电流。过这种附加的驱动方法，可以更加有效地夹紧VCE，并减少TVS损失。果设置正确，IGBT可以在此模式下连续运行。此，可以在DC总线的最大杂散电感下切换IGBT模块，并且不会超过IGBT模块的安全反向偏置（RBSOA）工作范围，并且没有吸收电容。
　　需的。Power Integrations将钳位技术提高到了一个新水平：动态高级有源钳位（DA2C）增加了一个额外的TVS =晶体管（请参见图3中的DA2C框），类似于串联使用的高级有源钳位TVS = 。通IGBT后直到IGBT发出停止命令约15至20μs，辅助开关oo被激活。额外的TVS =晶体管短路，以确保有效钳位。TVS =已添加根管以停止工作）。15-20μs的延迟时间之后，辅助开关Qo被停用，附加的TVS二极管被激活，并且在IGBT停用期间，直流总线电压增加到较高的值。意味着在紧急停止后，转换器的电感可以消磁，从而避免了直流母线电压的短暂升高，如果使用其他方法，则直流母线电压将不可避免地升高。AAC和D A2C均适用于具有高开关杂散电感的应用。些应用需要在IGBT关断时进行di / dt控制，以确保IGBT可以在反向偏置的安全工作区中工作。是对于某些应用，例如当它们具有低寄生开关电感并且IGBT停止的超限落在RBSOA范围内时，软停止（SSD）是一个更简单的选择。停止的优点在于，TVS =晶体管对于有源钳位不是必需的。检测到短路时，将激活SSD。过限制短路时间和电流斜率，以使瞬时VCE始终小于VCES（IGBT阻断电压容量），SSD可以保护IGBT免受损坏。4显示了SSD的工作原理。
　　周期P1（绿线）中可以看到VCE去饱和。轨到轨栅极使用先导输出级技术，VGE（栅极到发射极，粉红色线）可以保持稳定性。P1之后（约5μs），在tFSSD期间VGE被限制为一个较低的值。tFssD期间，短路电流IC受到限制，并且产生了一个小的过电压VCE。P3的时间段内，IGBT栅极仍处于卸载状态。电过程即将结束之前，电网发射器已连接到COM。留的栅极电荷被去除，短路电流被切断，并且再次发生较小的VCE过电压。路电流检测和安全停止时间小于10μs。助SCALE-2技术，Power Integrations可以做到这一点。SCALE-2 可以执行AA C / DA2C或SSD功能。Power Integrations SCALE2芯片组是本文所述的所有IGBT保护解决方案的核心。可以在控制和监视IGBT模块的性能的同时，将这些功能添加到他的主要培训任务中。芯片可以消除其他解决方案实现上述功能所需的许多无源和有源组件。用该芯片组，该产品不仅可以提供更多功能，而且可以提高可靠性并减小尺寸。
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