IGBT应用中的常见问题分析

　　显然，IGBT是作为逆变器的开关元件应用到各个系统中的，常用的控制方法是pwm法。理论上和事实上都已经证明，如果把pwm逆变器的开关频率提高到20khz以上，逆变器的噪声会更小，体积会更小，重量会更轻，输出电压波形会更加正弦化，可见，高频化是逆变技术发展方向。但是通常的pwm逆变器中，开关器件在高电压下导通，在大电流下关断，处于强迫开关过程，在高开关频率下运行时将受到如下一系列因素的限制：

　　（1） 产生擎住效应或动态擎住效应　　

　　IGBT为四层结构，使体内存在一个寄生晶闸管，等效电路。在npn管的基极与发射极之间存在一个体区短路电rs,p型体区的横向空穴流会产生一定的压降，对j3来说相当于一个正偏置电压。在规定的范围内，这个正偏置电压不大，npn管不会导通。当ic大于一定程度时，该正偏置电压足以使npn管开通，进而使npn和pnp管处于饱和状态，于是寄生晶闸管开通，栅极失去控制作用，即擎住效应，它使ic增大，造成过高的功耗，甚至导致器件损坏。温度升高会使得IGBT发生擎住的icm严重下降。

　　在IGBT关断的动态过程中，如果dvce/dt越高，则在j2结中引起的位移电流cj2dvce/dt越大，当该电流流过体区短路电阻rs时，可产生足以使npn晶体管开通的正向偏置电压，满足寄生晶闸管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。温度升高会加重IGBT发生动态擎住效应的危险。

　　（2）过高的di/dt会通过IGBT和缓冲电路之间的线路电感引起开关时的电压过冲　　

　　以线路电感lб≠0时电路进行分析，关断过程中，感性负载电流iб保持不变，即iб=it+id保持不变，it从零增大到iб。由于二极管d导通，voe=0,由于it随时间线性减小，电感lб两端感应电压vl=vbc=lбdit/dt应为负值，　　

　　因此，在关断过程一开始，vt立即从零上升到vcem,it在从i0下降至零期间，vt=vcem不变。直到it=0、id=i0以后，vt才下降为电源电压vd。vcem超过vd的数值取决于lб、tfi和负载电流i0,显然过快的电流下降率di/dt（即tfi小）、过大的杂散电感lб或负载电流过大都会引起关断时元件严重过电压，且伴随着很大的功耗。

　　可见，尽管IGBT的快速开通和关断有利于缩短开关时间和减小开关损耗，但过快的开通和关断，在大电感负载下，反而是有害的，开通时，存在续流二极管反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，则开通越快，IGBT承受的峰值电流也就越大，甚至急剧上升，导致IGBT或者续流二极管损坏。关断时，大电感负载随IGBT的超速开通和关断，将在电路中产生高频、幅值很高而宽度很窄的尖峰电压ldi/dt,常规的过电压吸收电路由于受到二极管开通速度的限制难以吸收该尖峰电压，因而vce陡然上升产生过冲现象，IGBT将承受较高的dvce/dt冲击，有可能造成自身或电路中其它元器件因过电压击穿而损坏。

　　（3） 在开通和关断瞬间开关器件的状态运行轨迹超出反向安全工作区（rbsoa）

　　反向安全工作区（rbsoa）是由集电极电流icm、集射极间电压vce和电压上升率dvce/dt三条极限边界线围成的，随IGBT关断时的在加dvce/dt而改变，dvce/dt越高，rbsoa越窄，因此在开通和关断瞬间产生的高dvce/dt将会使开关器件的状态运行轨迹更容易超出rbsoa,影响开关可靠性。

　　（4） 二极管反向恢复时的dv/dt和IGBT关断时的浪涌电压会在开关时产生过流

　　众所周知，IGBT存在弥勒电容ccg和输入电容cge,IGBT两端的电压过冲会通过ccg耦合栅极，使栅极电压瞬时升高，因为栅极负偏压和输入电容cge的存在，这时栅极电压所达到的高度比集电极的过冲要低的多，但它还是可能超过门槛值而使本应截止的管子导通，因此上下桥臂直通而过电流。

　　如果由此引起的门极电压足以使管子进入饱和，则已不是直通而是短路了。在集电极电压过冲后的震荡衰减过程中这种过流或短路也会连续多次出现，实验证明这一现象确实存在。

　　 常用的解决方法

　　对于以上问题，一般采取的实用性措施有：选用有效的过流保护电路、采用无感线路、积极散热、采用吸收电路和软开关技术。

        选用有效的过流保护驱动电路

　　在IGBT的应用中，关键是过流保护。IGBT能承受的过流时间仅为几微秒，这与scr、GTR（几十微秒）等器件相比要小得多，因而对过流保护的要求就更高了。IGBT的过电流保护可分为两种类型，一种是低倍数（1.2~1.5倍）的过载电流保护；

　　另一种是高倍数（8~10倍）的短路电流保护。对于过载保护可采用瞬时封锁门极脉冲的方法来实现保护。对于短路电流保护，加瞬时封锁门极脉冲会因短路电流下降的di/dt太大，极易在回路杂散电感上感应出很高的集电极电压过冲击穿IGBT,使保护失效。