IGBT损坏机理分析及保护电路设计原理分析

电源

固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言，电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外，还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。

IGBT 是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，开关频率高，广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当，它很容易损坏。一般认为 IGBT 损坏的主要原因有两种：一是 IGBT 退出饱和区而进入了放大区使得开关损耗增大;二是 IGBT 发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使 IGBT 损坏。IGBT 的保护通常采用快速自保护的办法即当故障发生时，关断 IGBT 驱动电路，在驱动电路中实现退饱和保护;或者当发生短路时，快速地关断 IGBT。根据监测对象的不同 IGBT 的短路保护可分为 Uge 监测法或 Uce 监测法二者原理基本相似，都是利用集电极电流 IC 升高时 Uge 或 Uce 也会升高这一现象。当 Uge 或 Uce 超过 Uge sat 或 Uce sat 时，就自动关断 IGBT 的驱动电路。由于 Uge 在发生故障时基本不变，而 Uce 的变化较大，并且当退饱和发生时 Uge 变化也小难以掌握，因而在实践中一般采用 Uce 监测技术来对 IGBT 进行保护。本文研究的 IGBT 保护电路，是通过对 IGBT 导通时的管压降 Uce 进行监测来实现对 IGBT 的保护。

采用本文介绍的 IGBT 短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。

1 短路保护的工作原理
图 1(a)所示为工作在 PWM 整流状态的 H 型桥式 PWM 变换电路(此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只 IGBT 未画出)，图 1(b)为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析(对于三相 PWM 电路，在整流、逆变工作状态或单相 DC/DC 工作状态下，PWM 电路的分析过程及结论基本类似)。

在图 1 所示的电路中，在市电电源 Us 的正半周期，将 Ug2.4 所示的高频驱动信号加在下半桥两只 IGBT 的栅极上，得到管压降波形 UT2D。其工作过程分析如下：在 t1～t2 时刻，受驱动信号的作用，T2、T4 导通(实际上是 T2 导通， T4 处于续流状态)，在 Us 的作用下通过电感 LS 的电流增加，在 T2 管上形成如图 1(b)中 UT2D 所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在 IGBT 导通时的体电阻上产生的压降;在 t2～t3 时刻，T2、T4 关断，由于电感 LS 中有储能，因此在电感 LS 的作用下，二极管 D2、D4 续流，形成图 1(b)中 UT2.D 的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到 IGBT 导通时的管压降的值，应该将在 t1～t2 时刻 IGBT 导通时的管压降保留，而将在 t2～t3 时刻检测到的 IGBT 的管压降的值剔除，即将图 1(b)中 UT2.D 的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于 IGBT 的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。

根据以上的分析可知，在正常情况下，IGBT 导通时的管压降 Uce(sat)的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据 Uce(sat)的额定值。但是，如果 H 型桥式变换电路发生故障(如同一侧桥臂上的上下两只 IGBT 同时导通的 “直通”现象)，则这时在下管 IGBT 的 C～E 极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对 IGBT 进行保护的依据，从而对 IGBT 实施有效的保护。

2 短路保护电路的设计
由对图 1 所示电路的分析，可以得到 IGBT 短路保护电路的原理电路图。IC4 及其外围器件构成选通逻辑电路，由 IC5 及其外围器件构成滤波及放大电路，IC2 及其外围器件构成门限比较电路，IC1 及其外围器件构成保持电路。正常情况下，D1、D2、D3 的阴极所连接的 IC2D、IC2C 及 CD4011 的输出均为高电平，IC1 的输出状态不会改变。假设由于某种原因，在给 T2 发驱动信号的时候，H 型桥式 PWM 变换电路的左半桥下管 T2 的管压降异常升高(设电平值为“高”)，即 UT2-d 端电压异常升高，则该高电平 UT2-d 通过 R2 加在 D8 的阴极;同时，发给 T2 的高电平驱动信号也加在二极管 D5 的阴极。对 IC2C 来说，其反相输入端为高电平，若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话，则 IC2C 输出为“低”。该“低”电平通过 D2 加在 R-S 触发器 IC1 的 R 输入端，使其输出端 Q 的输出电平翻转，向控制系统发出 IGBT 故障报警信号。如果是由于右半桥下管 T4 的管压降异常升高而引起 IC2D 输出为“低”，则该“低”电平通过 D5 加在 R-S 触发器 IC1 的 R 输入端，使其输出端 Q 的输出电平翻转，向控制系统发出 IGBT 故障报警信号。由 IC5A 和 IC5C 及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述 IGBT 管压降的电压信号进行预处理后，送给由 IC5B 构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由 R22 和 R32 确定的门槛电平，则会使 R-S 触发器 IC1 的 R 端的第三个输入端为“低”，也向控制系统发出 IGBT 故障报警信号。改变由 R22 和 R32 确定的门槛电平，就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义，从而灵活地设计保护电路。端子 T4-d、T2-d，分别接在 T4、T2 的集电极上，T4-G、T2-G 分别接 IGBT 器件 T4、T2 的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是，D8、D5、D9、D4 必须采用快速恢复二极管。

3 仿真及实验结果
当图 1 所示的 PWM 变换器工作在单相高频整流模式下，应用 PSPICE 仿真软件对电路进行仿真研究。仿真波形相当于在电路中 IC5B 的第 7 脚观察到的信号波形。仿真结果表明，检测电路可以快速、有效地将 PWM 变换器的下管导通时的管压降检测出来。图 3 所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中，1#通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形，2#通道显示的是实际检测到电路中 IC5B 的第 7 脚的工作波形。比较图 2 和图 3 可以得出，该检测电路可以快速、有效地检测出 IGBT 导通时的管压降，从而对 IGBT 实施有效的保护。

图 4 所示为 IGBT 过流时实际检测到的 PFC 电感中流过的电流及保护电路动作的波形。

电路实际运行结果证明，本文介绍的 IGBT 短路保护电路可以有效地对 IGBT 实施保护，成本低，动作可靠。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型 3KVA 高频逆变器中。