大功率IGBT击穿故障分析及驱动保护电路设计.docx
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1、大功率IGBT击穿故障分析及驱动保护电路设计 摘 要:该文通过对IGBT组成的H桥在大功率高速开关条件下进行大量试验,列举了IGBT发生击穿故障的多种缘由,结合IGBT器件的结构分析其击穿过程及击穿表现,并通过计算提出了一种输出波形稳定的IGBT驱动电路以及相应的爱护电路。 关键词:击穿 驱动 爱护 中图分类号:O 453 文献标识码:A 文章编号:1674-0101X(2022)12(b)-00-02 目前,大功率电源技术的发展向着小型、高频方向迈进,其功率开关部分多采纳IGBT来实现,但是由于功率的增大、开关频率的增高及设备体积的减小,使得IGBT发生击穿甚至炸管的故障率显著增加,该文通过
2、使IGBT工作在500 V/10 KHz条件下进行的各项试验,对不同缘由导致的击穿现象进行分析总结,论述了不怜悯况下击穿的根本缘由及表现形式,提出了一种IGBT驱动爱护电路,经实际验证,此电路运行稳定,爱护动作快速有效。 IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,具有载流密度大,开关速率快,驱动功率小而饱和压降低的优点。特别适合应用于直流电压为600 V及以上的大功率逆变系统,在工业领域有着广泛的应用。 1 击穿缘由分析 由于该器件常常应用于大功率及开关速率快的场合,因此发生击穿甚至炸管的几率特别高,究其根本击穿缘由有以下三点:过压
3、击穿、过流击穿、过温击穿。 1.1 过压击穿 引起过压击穿的缘由有许多,比如负载、线路、元器件的分布电感的存在,导致IGBT在由导通状态关断时,电流Ic突然变小,将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压Uce=Ldic/dt,此电压若大于IGBT的耐压值,则会击穿IGBT;另外,静电、负载改变、电网的波动、驱动电路失效开路以及外部电磁干扰都可能引起电压击穿。 过压击穿分为两个步骤:(1)IGBT的雪崩击穿;(2)IGBT短路。 第一步:雪崩击穿,当IGBT的栅极电压为零或负时,处于正向阻断状态,此时若IGBT承受外部阻断电压较高,耗尽层的电场强度随电压上升而上升,就会在耗尽层产生大量的电
4、子和空穴,当电场强度超过临界值时,外部阻断电压会使中性区边界漂移进来的载流子加速获得很高的动能,这些高能载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞时使之电离,产生新的电子-空穴对。新生的电子-空穴对马上被强电场分开并沿相反方向加速,进而获得足够动能使另外的点阵原子电离,产生更多的电子-空穴对,载流子在空间电荷区倍增下去,反向电流快速增大,发生雪崩击穿,直至PN 结损坏。这个使得PN 结电场增加到临界值的外部电压称为IGBT的雪崩击穿电压。 其次步:IGBT短路,IGBT的雪崩击穿是一个可逆过程,不会马上导致IGBT损坏,此过程假如通过增加汲取回路等方法使过压时间限制在10个电压脉冲周期以内,IGBT不会
5、表现为不行逆的击穿状态,但假如汲取回路没能在短时间内汲取浪涌电压,那么IGBT则会表现为集电极放射极短路状态(静电击穿门级表现为门级放射极短路),此状态不行逆。 1.2 过流击穿 导致IGBT过流击穿的缘由多为负载短路、负载对地短路,此外,由于驱动电路故障、外界干扰等造成的逆变桥桥臂不正确导通也是过流击穿的一大缘由。 IGBT有肯定抗过电流实力,但时间要限制在10 us以内。IGBT 内部有一个寄生晶闸管,所以有擎住效应。在规定的放射极电流范围内,NPN 的正偏压不足以使其导通,当放射极电流大到肯定程度时,这个正偏压会使NPN 晶体管开通,进而使NPN 和PNP 晶体管处于饱和状态,导致寄生晶
6、闸管开通,此时门极会失去限制作用,便发生了擎住效应,IGBT 发生擎住效应后,放射极电流过大造成了过高的功耗,最终导致器件的损坏。过流击穿多表现为可见性炸管。 1.3 过温击穿 IGBT的最大工作温度一般为175 ,但实际应用中结温的最高温度要限制在150 以下,一般最好不要超过130 ,否则高温会引起外部器件热疲惫以及IGBT稳定性变差,经过实际验证IGBT长时间工作在40 左右为宜。 发生过温击穿的主要缘由为散热设计不完善,电路设计缘由为死区时间设置过短、限制信号受干扰导致的逆变桥臂瞬时短路、负载阻抗不匹配、驱动电压不足、IGBT器件选型错误导致的和设计开关频率不匹配等。 过温失效主要表现
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