IGBT 損壞的原因 - 不間斷電源中的IGBT應(yīng)用總結(jié)

　　UPS 在使用過(guò)程中，經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊、過(guò)負(fù)荷甚至負(fù)載短路等，以及UPS 的誤操作，可能導(dǎo)致IGBT 損壞。IGBT 在使用時(shí)的損壞原因主要有以下幾種情況：

　　過(guò)電流損壞；

　　IGBT 有一定抗過(guò)電流能力，但必須注意防止過(guò)電流損壞。IGBT 復(fù)合器件內(nèi)有一個(gè)寄生晶閘管，所以有擎住效應(yīng)。圖5 為一個(gè)IGBT 的等效電路，在規(guī)定的漏極電流范圍內(nèi)，NPN 的正偏壓不足以使NPN 晶體管導(dǎo)通，當(dāng)漏極電流大到一定程度時(shí)，這個(gè)正偏壓足以使NPN 晶體管開通，進(jìn)而使NPN 和PNP 晶體管處于飽和狀態(tài)，于是寄生晶閘管開通，門極失去了控制作用，便發(fā)生了擎住效應(yīng)。IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)后，漏極電流過(guò)大造成了過(guò)高的功耗，最后導(dǎo)致器件的損壞。

　　過(guò)電壓損壞；

　　IGBT 在關(guān)斷時(shí)，由于逆變電路中存在電感成分，關(guān)斷瞬間產(chǎn)生尖峰電壓，如果尖峰電壓過(guò)壓則可能造成IGBT 擊穿損壞。

　　橋臂共導(dǎo)損壞；

　　過(guò)熱損壞和靜電損壞。

　　4. IGBT 損壞的解決對(duì)策

　　過(guò)電流損壞

　　為了避免IGBT 發(fā)生擎住效應(yīng)而損壞，電路設(shè)計(jì)中應(yīng)保證IGBT 的最大工作電流應(yīng)不超過(guò)IGBT 的IDM 值，同時(shí)注意可適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電阻RG 的辦法延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間，減小IGBT 的di/dt。驅(qū)動(dòng)電壓的大小也會(huì)影響IGBT 的擎住效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電壓低，承受過(guò)電流時(shí)間長(zhǎng)，IGBT 必須加負(fù)偏壓，IGBT 生產(chǎn)廠家一般推薦加-5V 左右的反偏電壓。在有負(fù)偏壓情況下，驅(qū)動(dòng)正電壓在10—15V 之間，漏極電流可在5～10μs 內(nèi)超過(guò)額定電流的4～10 倍，所以驅(qū)動(dòng)IGBT 必須設(shè)計(jì)負(fù)偏壓。由于UPS 負(fù)載沖擊特性各不相同，且供電的設(shè)備可能發(fā)生電源故障短路，所以在UPS 設(shè)計(jì)中采取限流措施進(jìn)行IGBT的電流限制也是必須的，可考慮采用IGBT 廠家提供的驅(qū)動(dòng)厚膜電路。如FUJI 公司的EXB841、EXB840，三菱公司的M57959AL，57962CL，它們對(duì)IGBT 的集電極電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果IGBT 發(fā)生過(guò)電流，內(nèi)部電路進(jìn)行關(guān)閉驅(qū)動(dòng)。

　　這種辦法有時(shí)還是不能保護(hù)IGBT，根據(jù)IR 公司的資料，IR 公司推薦的短路保護(hù)方法是：首先檢測(cè)通態(tài)壓降Vce，如果Vce 超過(guò)設(shè)定值，保護(hù)電路馬上將驅(qū)動(dòng)電壓降為8V，于是IGBT 由飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)入放大區(qū)，通態(tài)電阻增大，短路電路減削，經(jīng)過(guò)4us 連續(xù)檢測(cè)通態(tài)壓降Vce，如果正常，將驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)正常，如果未恢復(fù)，將驅(qū)動(dòng)關(guān)閉，使集電極電流減為零，這樣實(shí)現(xiàn)短路電流軟關(guān)斷，可以避免快速關(guān)斷造成的過(guò)大di/dt 損壞IGBT，另外根據(jù)最新三菱公司IGBT 資料，三菱推出的F 系列IGBT 的均內(nèi)含過(guò)流限流電路（RTC circuit），如圖6，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流，10us 內(nèi)將IGBT 的啟動(dòng)電壓減為9V，配合M57160AL 驅(qū)動(dòng)厚膜電路可以快速軟關(guān)斷保護(hù)IGBT。

　　圖5：IGBT 等效電路圖

　　圖6 三菱F 系列IGBT 的RCT 電路

　　過(guò)電壓損壞

　　防止過(guò)電壓損壞方法有：優(yōu)化主電路的工藝結(jié)構(gòu)，通過(guò)縮小大電流回路的路徑來(lái)減小線路寄生電感；適當(dāng)增加IGBT 驅(qū)動(dòng)電阻Rg 使開關(guān)速度減慢（但開關(guān)損耗也增加了）；設(shè)計(jì)緩沖電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行抑制。用于緩沖電路中的二極管必須是快恢復(fù)的二極管，電容必須是高頻、損耗小，頻率特性好的薄膜電容。這樣才能取得好的吸收效果。常見電路有耗能式和回饋式緩沖電路?；仞伿接钟袩o(wú)源式和有源式兩種，詳細(xì)電路設(shè)計(jì)可參見所選用器件的技術(shù)手冊(cè)。

　　橋臂共導(dǎo)損壞

　　在UPS 中，逆變橋同臂支路兩個(gè)驅(qū)動(dòng)必須是互鎖的，而且應(yīng)該設(shè)置死區(qū)時(shí)間（即共同不導(dǎo)通時(shí)間）。如果發(fā)生共導(dǎo)，IGBT 會(huì)迅速損壞。在控制電路應(yīng)該考慮到各種運(yùn)行狀況下的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題控制時(shí)序問(wèn)題。

　　過(guò)熱損壞

　　可通過(guò)降額使用，加大散熱器，涂敷導(dǎo)熱膠，強(qiáng)制風(fēng)扇制冷，設(shè)置過(guò)溫度保護(hù)等方法來(lái)解決過(guò)熱損壞的問(wèn)題。

　　此外還要注意安裝過(guò)程中的靜電損壞問(wèn)題，操作人員、工具必須進(jìn)行防靜電保護(hù)。

　　5. 結(jié)論

　　IGBT 兼具有功率MOSFET 和GTR 的優(yōu)點(diǎn)，是UPS 中的充電、旁路開關(guān)、逆變器，整流器等功率變換的理想器件。

　　只有合理運(yùn)用IGBT，并采取有效的保護(hù)方案，才可能提高IGBT 在UPS 中的可靠性。