大功率IGBT擊穿故障分析及驅動保護電路設計

張廣智 王琳琳 趙偉華 張偉光 李全熙

摘 要：該文通過對IGBT組成的H橋在大功率高速開關條件下進行大量實驗，列舉了IGBT發生擊穿故障的多種原因，結合IGBT器件的結構分析其擊穿過程及擊穿表現，并通過計算提出了一種輸出波形穩定的IGBT驅動電路以及相應的保護電路。

關鍵詞：擊穿 驅動 保護

中圖分類號：O 453 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

目前，大功率電源技術的發展向著小型、高頻方向邁進，其功率開關部分多采用IGBT來實現，但是由于功率的增大、開關頻率的增高及設備體積的減小，使得IGBT發生擊穿甚至炸管的故障率顯著增加，該文通過使IGBT工作在500 V/10 KHz條件下進行的各項試驗，對不同原因導致的擊穿現象進行分析總結，論述了不同情況下擊穿的根本原因及表現形式，提出了一種IGBT驅動保護電路，經實際驗證，此電路運行穩定，保護動作快速有效。

IGBT是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，具有載流密度大，開關速率快，驅動功率小而飽和壓降低的優點。非常適合應用于直流電壓為600 V及以上的大功率逆變系統，在工業領域有著廣泛的應用。

1 擊穿原因分析

由于該器件經常應用于大功率及開關速率快的場合，因此發生擊穿甚至炸管的幾率非常高，究其根本擊穿原因有以下三點：過壓擊穿、過流擊穿、過溫擊穿。

1.1 過壓擊穿

引起過壓擊穿的原因有很多，比如負載、線路、元器件的分布電感的存在，導致IGBT在由導通狀態關斷時，電流Ic突然變小，將在IGBT的c、e兩端產生很高的浪涌尖峰電壓Uce=L×dic/dt，此電壓若大于IGBT的耐壓值，則會擊穿IGBT；另外，靜電、負載變化、電網的波動、驅動電路失效開路以及外部電磁干擾都可能引起電壓擊穿。

過壓擊穿分為兩個步驟：（1）IGBT的雪崩擊穿；（2）IGBT短路。

第一步：雪崩擊穿，當IGBT的柵極電壓為零或負時，處于正向阻斷狀態，此時若IGBT承受外部阻斷電壓較高，耗盡層的電場強度隨電壓升高而升高，就會在耗盡層產生大量的電子和空穴，當電場強度超過臨界值時，外部阻斷電壓會使中性區邊界漂移進來的載流子加速獲得很高的動能，這些高能載流子在空間電荷區與點陣原子碰撞時使之電離，產生新的電子-空穴對。新生的電子-空穴對立即被強電場分開并沿相反方向加速，進而獲得足夠動能使另外的點陣原子電離，產生更多的電子-空穴對，載流子在空間電荷區倍增下去，反向電流迅速增大，發生雪崩擊穿，直至PN 結損壞。這個使得PN 結電場增強到臨界值的外部電壓稱為IGBT的雪崩擊穿電壓。

第二步：IGBT短路，IGBT的雪崩擊穿是一個可逆過程，不會立即導致IGBT損壞，此過程如果通過增加吸收回路等方法使過壓時間控制在10個電壓脈沖周期以內，IGBT不會表現為不可逆的擊穿狀態，但如果吸收回路沒能在短時間內吸收浪涌電壓，那么IGBT則會表現為集電極發射極短路狀態（靜電擊穿門級表現為門級發射極短路），此狀態不可逆。

1.2 過流擊穿

導致IGBT過流擊穿的原因多為負載短路、負載對地短路，此外，由于驅動電路故障、外界干擾等造成的逆變橋橋臂不正確導通也是過流擊穿的一大原因。

IGBT有一定抗過電流能力，但時間要控制在10 us以內。IGBT 內部有一個寄生晶閘管，所以有擎住效應。在規定的發射極電流范圍內，NPN 的正偏壓不足以使其導通，當發射極電流大到一定程度時，這個正偏壓會使NPN 晶體管開通，進而使NPN 和PNP 晶體管處于飽和狀態，導致寄生晶閘管開通，此時門極會失去控制作用，便發生了擎住效應，IGBT 發生擎住效應后，發射極電流過大造成了過高的功耗，最后導致器件的損壞。過流擊穿多表現為可見性炸管。

1.3 過溫擊穿

IGBT的最大工作溫度一般為175 ℃，但實際應用中結溫的最高溫度要控制在150 ℃以下，一般最好不要超過130 ℃，否則高溫會引起外部器件熱疲勞以及IGBT穩定性變差，經過實際驗證IGBT長時間工作在40 ℃左右為宜。

發生過溫擊穿的主要原因為散熱設計不完善，電路設計原因為死區時間設置過短、控制信號受干擾導致的逆變橋臂瞬時短路、負載阻抗不匹配、驅動電壓不足、IGBT器件選型錯誤導致的和設計開關頻率不匹配等。

過溫失效主要表現在以下幾個方面：柵門檻電壓VGE增大；CE動態壓降VCE增大；動態導通時間增大，關斷時間減??；開關損耗增大。

2 驅動保護電路設計

2.1 驅動電路設計思路

以K40T120（1200 V/40 A）型IGBT為例進行驅動電路設計：

2.1.1 確定門級電電容及驅動電壓：用Cin=5 Ciss進行計算，根據手冊可查Ciss=2360 pF，則Cin=2360×5=11.8 nF，

根據Q＝∫idt＝Cin×ΔU計算驅動電壓ΔU經查此IGBT門級電容Q=192 nC，ΔU=Q/Cin=16.3 V，因此最小驅動電壓為16.3 V。

2.1.2 確定門級正偏壓以及負偏壓：正偏壓Vge越高，器件的導通損耗就越小，但是，Vge不允許超過+20 V，原因是一旦發生過流或短路，Vge越高，則電流幅值越高，IGBT損壞的可能性就越大。負偏壓的應用是為了在柵極出現開關噪聲時仍能可靠截止，一般選為5～15 V為宜。綜合最小驅動電壓16.3 V，由器件Vgate/Ic曲線選定正偏壓+11 V、負偏壓-9 V為最終驅動電壓。

另外，驅動電路還應有門極電壓限幅功能，以防外界干擾及器件損壞等造成的門級過驅動擊穿IGBT。

2.1.3 確定驅動電流及驅動電阻：一般來講，IGBT器件的耐壓耐流越大，IGBT的門極和集電極間的等效電容越大，所需的電流越大，此外開關頻率越大，所需門級電流越大。

K40T120的門級電流為200 mA，以20 V驅動電壓計算，其最小驅動電阻為20 V/200 MA=10 K，選擇10 K作為驅動電阻。

由器件的Rg/Td（on）Td（off）曲線結合所需開關頻率確定門級電阻為40 Ω。

此外，IGBT驅動電路需要設計隔離電路（可采用光耦隔離或變壓器隔離），防止IGBT擊穿時損壞驅動電路或者中控電路，設計的思路是盡可能的簡單實用，要有抗干擾能力，輸出阻抗越低越好。

2.2 IGBT驅動電路

由于電路中分布電感和分布電容對IGBT高速開關狀態會有很大的影響，所以采用分級設計，前后級用雙絞線進行連接。

圖1所示為K40T120的前級驅動電路：由光耦進行隔離，信號由光耦輸入，20 V電壓輸入經整形變為+11/-9 V的驅動波形由G/E輸出。

圖中電容的作用是使輸出波形更平穩，穩壓管1N4739（9.1 V穩壓管）的目的是提供負偏壓，可根據實際情況進行改變。

圖2所示為IGBT后級驅動部分，以H橋單橋臂為例實際應用中可在電源母線加裝π型濾波器、增加電容組的容量以抑制浪涌電壓，P6KE16CA為雙向瞬態電壓抑制器件，防止門級電壓過高引起器件損毀。

2.3 IGBT的保護

IGBT的過壓保護主要采用減少電路分布電感、增加吸收緩沖回路、增大門級電阻等方法來實現，此部分電路加裝在驅動電路部分。

IGBT的過溫保護主要采用散熱片加風冷的方式實現，并參考實際應用參數（工作電流及環境溫度）進行設計，在此不再贅述。

IGBT過流保護電路：

IGBT具有一定的過流能力，但是過流時間不可超過10 us，要求過流保護電路要有高精度、快速反應等優點，因此采用電源母線采樣、高速比較器進行電流比較，一旦超過設定電流立刻關斷驅動波形，保護IGBT。

圖3所示保護電路，高速比較器采用LM211，電感L串入母線回路，由330 Ω電阻進行采樣并經分壓輸入2腳，3腳的基準電壓有電源電壓分壓得到，調整20K電阻調節保護靈敏度，CD4013的輸出端可根據實際需要接入波形發生電路或經光耦隔離接入驅動電路。

此保護電路在500 V/20 A的逆變電路中應用，IGBT擊穿率下降到7%左右，有實際的應用價值。

3 結語

IGBT器件由于其工作在大電壓、大電流的狀態下，因此，發生擊穿甚至炸管的故障較多，但是，只要按照器件手冊及相關計算公式計算驅動電壓、電流，選定穩定可靠的驅動電路，合理設計電路板結構，增加相應的保護措施，IGBT完全可以穩定可靠地工作。

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