如何优化器件保护措施，避免误动作？

IGBT应用中的另一个重要问题是保护电路的设计。它包括IGBT栅射极过电压限幅设计、di/dt引起U_CE的浪涌电压抑制设计和I_c的过电流保护设计。

1.栅射极过电压限幅设计

在IGBT导通期间，其集电极可能会出现振荡电压，由于栅-集电容，栅极电压也会受到影响，可能导致U_CE超过阈值电压U_CE（th），从而引起IGBT的误导通，而U_CE一旦产生过电压（IGBT栅极耐压约为20V）就会损坏IGBT。为防止这类现象的发生，可采取在栅射极之间并联稳压二极管或电阻R_GE的方法，如图3-24所示。VD_Z1是5V/1W的稳压管，当输入信号到来时，V₂截止，V₁导通，对IGBT施加+15V栅极电压；当输入信号消失时，V₁截止，V₂导通，5V稳压管为IGBT提供反向关断电压。VD_Z2、VD_Z3的作用是限制加在IGBT栅射极之间的电压，避免因过高的栅射电压而击穿栅极。

图3-24 带栅射极过压限幅功能的IGBT驱动电路

因为稳压二极管有很大的结电容，会影响IGBT的开关速度，所以并联稳压二极管的方法在IGBT高速工作时需要增大驱动电流。

2.浪涌电压抑制设计

IGBT关断时，di/dt会迅速增大而产生较高的过电压，即浪涌电压，采用吸收电路可以吸收浪涌电压尖峰，抑制U_CE，从而保护IGBT。吸收电路又称缓冲电路（Snubber Circuit），如图3-25所示，图中给出了三种IGBT通用吸收电路，10～150A的IGBT模块适合选择图a或图b所示的吸收电路；200～600A的模块适合选择图c或图a（每个桥臂）所示的吸收电路；400A以上的模块适合选择图a和图c（每个桥臂）所示的吸收电路。

图3-25 通用IGBT吸收电路

选择吸收电容时，要考虑到主电路中配线电感的存在，如图3-26和图3-27所示。两图中，ΔU是由主配线电感引起的，尖峰电压可以由吸收电路削弱，吸收电容的值计算如下：

由式（3-19）可以知道，降低L₁是抑制尖峰电压的关键，在L₁确定后，吸收电容值决定了尖峰电压被吸收的程度。而ΔU′是由吸收电容引线电感引起的，它不可能被吸收，即

显而易见，ΔU′的降低只有依靠L₂的降低。

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图3-26 吸收电路举例

图3-27 特大容量模块的吸收电路举例

因此，应尽量减小主电路布线的杂散电感。直流环节的滤波电容应靠近IGBT模块，缩短两者之间的连线，并且尽可能地减小电流回路面积。吸收电路中的电容和电阻均应采用无感电容和无感电阻，吸收二极管必须选用快恢复二极管，其额定电流应不小于主电路器件额定电流的1/10，并且缩短吸收电容的连线，减小吸收电路电流回路的面积。另外，当负载感性值增大时，应当相应地增大吸收电路的吸收容量。

3.过电流的检测保护

由图3-19可知，当U_GE不变，通态电压U_CE随集电极电流增大而增高，所以可用检测电压U_CE（sat）作为过电流的判断信号。图3-28给出了过电流检测电路的基本原理，comp是电压比较器，负端电压由R_th设定：U_-=R_th×150×10-6，而正端电压U₊=R×1.4×10^-3+U_VD+U_CE，如果I_C过大，U_CE增大到U_CE（sat）时，电平因U₊＞U_-而翻转，送出报警信号，封锁栅极。根据U_CE（sat）可以设置R和R_th的阻值。当过电流的倍数较高时，瞬时封锁栅极脉冲会使di/dt很大，在回路杂散电感上感应出较高的尖峰电压，吸收电路很难彻底吸收此尖峰电压。为此，在保护中应采取软关断措施。IGBT的技术资料表明，IGBT在10μs内最大可承受2倍的额定电流，因而软关断可以先将栅极电压在10μs内降至零电压，在10μs内如果报警信号没有消失，则封锁栅极驱动。最后分析一下电容C的作用，由于IGBT导通的瞬间，U_CE上的压值可能会很大（引起comp输出电平翻转），需要经过一定的过渡时间，压值逐步减小，达到稳定状态，（即IGBT完全导通状态）。当加电容C延时后，电容C在IGBT瞬间导通时处于充电过程，使得U+端电压逐渐上升，延时到达稳定值。延时作用避免了保护电路在这一过程中的误触发实现正确的保护功能，而且此电容还能够在一定程度上滤掉U_CE上的外界干扰信号，减少保护的误动作发生率。电容C可由式（3-21）选取：

式中，t＜10μs，具体数值根据实际情况确定，推荐t=5μs。

图3-28 过电流检测电路基本原理

市场上有一类驱动模块，它将IGBT的驱动和保护集成在一个芯片内，具有软关断能力的过电流检测电路是其最基本的保护功能，由于使用时外围电路简单，被广泛应用。日本富士电机公司的EXB系列是最早进入我国市场的IGBT驱动模块，另外还有日本三菱电机公司的M579系列，美国公司的IR系列等，由于它们的电气性能各有特点，选择时应注意适用场合。

4.避免接地回路

对于桥式主电路，驱动上桥臂的栅极驱动电路的电源都是独立电流路径，驱动下桥臂的栅极驱动电路电源通常可以和主电路共用一个电流路径。但是，在大电流（100A以上）的场合中，当栅极驱动电路与主电路共用一个电流路径时会导致出现接地回路问题，如图3-29所示。①导通时，di/dt在下桥臂的导线电感引起压降，因此，A、B、C的电位实际上并不相等，其电位关系A＞B＞C，且A＞0，C＜0（假定B为栅极驱动基准电压）。由于电流非常大，压降值不能再被忽略，一旦这种情况发生，②就有可能导通。为避免这一问题的发生，建议这时应该对下桥臂的器件采用独立的栅极驱动电源供电。

图3-29 驱动电路与主电路共发射极可能导致接地回路问题