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（1）过电流保护 IGBT的过电流保护电路壳分为两种类型：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（不加保护时可达8～10倍）的短路电流保护。对于过载保护，由于不必快速响应，壳采用集中式的保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后，比较器翻转，封锁装置中所有IGBT驱动器的输入脉冲，使装置的输出电流降为零。这种集中式的保护具有保护的彻底性，一旦保护动作后，需通过复位才能恢复正常工作。
IGBT的过电流保护还可采用集-射极电压识别法，因为IGBT的通态饱和压降VCE(sat)与集电极电流IC呈近似线性关系，所以IGBT的过电流保护也可以采用集电极电压检测的方法来实现，即利用测量VCE(sat)的大小来判断IGBT集电极电流的大小。当IGBT的结温较高时，在大电流情况下的通态饱和压降会增加，这种特性有利于过电流的识别。需注意两点：一是识别时间；二是保护切断速度。从识别出过电流信号至切断栅极控制信号的总时间必须小于允许短路过电流的时间。过电流时切断IGBT漏极电流不能和正常工作中切断速度一样快，在主电路电感中引起很高的反电动势而形成尖峰电压，这种尖峰电压足以损坏器件。因此，应采用措施使得在允许的短路时间内进行慢速切断。
（2）短路保护 在用IGBT构成的变流器中发生负载短路或同一桥臂出现直通现象时，电源电压直接加到IGBT的C、E两极之间，流过IGBT的集电极电流将会急剧增加，此时如不迅速撤除栅极驱动信号，就会烧毁IGBT。IGBT能在不损坏的前提下承受电路电流的时间称为允许短路时间，用tsc表示。Tsc的长短与电源电压VCC、栅射驱动电压VGE以及Tj有密切的关系。
为了防止由于短路故障而造成IGBT损坏，必须有完善的故障检测与保护环节，及时检出过电流故障，并迅速切除。实际应用中，引起短路故障的主要原因有：
1）直通短路产生的原因是，由于桥臂中某一个器件损坏或反并联二极管损坏。
2）桥臂短路产生的原因是，由于控制回路、驱动回路的故障或干扰噪声引起的误动作，造成一个桥臂中的两个IGBT同时开通。
为了封锁短路电流，过去常采用软关断降低栅压的方法。采用软关断是为了避免发生过大的电流下降变化率，以免产生的感应过电压使IGBT击穿损坏。为了避免续流二极管的过冲电流和吸收电容器的放电电流，栅极的封锁需延迟2μs后动作，栅极电压软关断的下降时间约需5～10μs，使小于10μs的过电流不能响应。这样，采用这种保护方式就无法对饱和压降小于2.5V的IGBT实现可靠保护。采用这种过电流保护方式，因开始时的最大短路电流无法实现限制，极易因瞬时电流过大而造成IGBT发生锁定，使得无法封锁电流而造成损坏。
为了提高保护功能，如减少保护动作的延迟时间，但又不利于辨别真假故障过电流，还会因瞬时的续流二极管恢复电流或干扰造成误封锁，影响装置的正常运行。
比较理想的短路保护方案是出现过电流时立即降低栅压，使过电流值不能达到最大短路峰值，这样可避免IGBT出现锁定损坏。随着栅极电压降低，IGBT进入放大区，其压降增加，短路电流明显减小，短路的承受时间延长。这有利于在短路承受时间延长的这段时间内，判断是否是真故障过电流。如果瞬时过电流，可在过电流结束后立刻将栅压恢复到正常栅压；如果真过电流，可在延长时间的末端将栅极电压软关断降到零，使过电流被封锁。
随着栅射极电压VGE的降低，短路电流Isc明显减小，而短路允许时间tsc相应增大，这样也就延长了“故障检测”时间，这样延长“故障检测”时间的方法可称为“延时搜索”，在“延时搜索”结束时，如果故障仍然存在，则必须立即关断IGBT，切除故障；如果在“延时搜索”结束之前故障自行消失，则为“假过电流”现象，可以让电路恢复正常工作。
利用VGE使短路电流Isc减小的工作原理。正常工作时，栅射极驱动电压VGE为15V，发生短路故障时，Isc急剧增长，VGE也随之增大，此刻及时将VGE降至10V左右，则短路电流显著减小，在“延时搜索”结束时故障仍存在，则降VGE降至0V，使故障切除。
利用降低VGE的原理实现IGBT短路保护驱动短路的功能原理：在正常导通期间，IGBT的饱和压降小于给定电压Vref，比较器输出低电平，MOS管VF1与VF2均截至，IGBT的栅极驱动电压不变。发生过电流故障时，IGBT的集射极间压降VGE增大，当超过Vsef时，比较器输出高电平，定时器启动；与此同时，VF2开通，使IGBT的栅极电压降至稳压管的稳压值Vz。如果在定时周期结束之前，故障消失，比较器输出又返回低电平，VF2转回截至，恢复正常栅极电压，IGBT继续正常工作。如果在定时周期终了时，故障仍存在，则定时器输出高电平，VF1开通，IGBT的驱动电压被切除，迫使IGBT关断。
（3）过电压保护 变流器的主电路终包含用于功率传递的感性元件变压器合引线电感，变流器终功率IGBT快速开关时会因配线电感中积蓄的能量释放或辅助回路中续流二极管反向恢复而产生开关浪涌电压。根据浪涌电压的强度和持续时间，可能会危害IGBT的安全工作。当然，通过减小变压器的漏感和合理布线来减小电感，对减小IGBT的过电压是有利的，但还应采取各种过电压抑制措施。
当开关浪涌电压在关断时的工作波形超过了RBSOA（反偏安全工作区）时，IGBT就会损坏。过电压抑制网络就是为了抑制开关浪涌电压，把IGBT开关工作波形控制在RBSOA内设置的。
桥式变流器的IGBT模块的三种抑制电路：一是适用于50A以下的IGBT模块，它容易产生由L-C-R串联电路引起的电压振荡，因此要特别注意减小L、减小电容及连线的电感，可采取如增加阻尼电阻等措施；二是适用于200A以下的IGBT模块，该电路为防止振荡，要通过二极管对电容C充电，因而可适用于较大容量，使用中应注意的问题是尽量选用软恢复特性的二极管，并尽可能减小二极管到电容的布线电感；三是适用于300A以下的IGBT模块，该电路属放电阻止型，它解决了在大容量变流器中，如直接在每个IGBT旁并联RC-D吸收电路带来的缓冲电路容量增大、配线电感增大、二极管选择困难、续流二极管反向恢复引起的电压过冲的问题。该吸收电路中，实际是电容由供电电源充电，且减小了配线电感，使缓冲电路损耗减小，同时抑制了开关过电压。
应注意的是，过电流或短路保护过程中，集电极电流迅速下降时，di/dt在布线电感上产生的反电压势必加到关断的IGBT上，造成IGBT的集射极间电压强烈过冲。理论上，这个过冲电压可由抑制网络加以吸收。但实际上，由于IGBT的开关频率较高，在快速关断大电流时，回路中布线电感的存在引起Ldi/dt，受二极管开通速度的限制，该电路难以吸收尖峰过电压。为了解决这个问题，在过电流时应放慢关断速度，宜采用软关断方式。
（4）防静电保护
IGBT的输入级为MOSFET，所以IGBT也存在静电击穿的问题。
3.IGBT的并联使用
与MOSFET一样，通常IGBT不串联使用。在大功率的电力电子设备中，单个IGBT的容量不满足功率要求时，可选用几个或多个IGBT并联使用。
（1）并联时的注意事项
1）当需要并联使用时，使用同一等级的VGE(sat)模块。
2）并联时各IGBT之间的Ic不平衡率：≤|±18%|。
3）并联时各IGBT的开启电压一致，如开启电压不同，则会产生严重的电流分配不均匀。
4）使用同一等级模块时的最大电流
∑I=Ic(max)［1+（N-1）（1-α/100）/（1+α/100）］
式中 α＝［Ic/Ic(max)-1］×100％
5）并联时的接线方法
①栅极驱动电路接线
ⅰ串联栅极电阻（RG）在各模块的栅极上分别接上各模块推荐值的RG，并尽可能使RG值误差要小。栅极到各模块驱动级的配线长短及引线电感要相等，如RG及引线有差异，则会引起各模块电流的分配不均匀，并会造成工作过程中开关损耗的不均匀。
ⅱ主电源到各模块之间的接线长短要均等，主电源到各模块之间引线的电感要相等。如主配线长短或引线电感有差异，则会引起动态或稳态电流不平衡。
ⅲ控制回路中的接线应为抗噪声接线，接线时应使用双芯线或屏蔽线。
②主电路需采用低电感接线。使接线尽量靠近各模块的引出端，使用铜排或扁条线，以尽可能降低接线的电感量。
（2）关于驱动电路的注意事项
1）在并联使用场合，如果驱动电路只用EXB851或EXB841输出电流可能受到限制；它供不出模块驱动所必需的栅极电流。
2）在EXB851/EXB841的外部加一缓冲级，可使输出电流增大。这一方法虽然可以采用，但是由于内藏的过电流保护功能的控制时间设定较困难，因此一般不使用这种方法。
4.使用中的参数选用
（1）电流额定值的选用 IGBT的电流值Ic为所允许直流电流的最大值。
对整流桥用二极管、逆变桥用IGBT，可根据下式计算该变流器每相的峰值电流：
I*p＝［变流器容量（VA）×过载倍数√2×波形折算系数］/（√3交流相电压）
例如，20kVA、输入相电压为220V的变频器，其I*p＝（20000×1.5×1.414×1.2）/（220×1.73）A＝133.75A
计算中取波形折算系数为1.2，故选150A的IGBT。
（2）电压额定值的选用 IGBT额定工作电压选用时，既要考虑交流输入电压整流后的直流电压，又要考虑开关时产生的浪涌电压（叠加在直流电压之上）的影响，使所选用的IGBT额定电压高于直流电压加上叠加于直流电压上的浪涌电压。选用好额定电压后，还必须检查集电极电流变化率dIc/dt、栅极驱动电路的驱动效果、整个系统的配线、过载条件下保护电路的动作是否都满足了正常的要求。通常，对输入电压低于交流220V的系统，一般选用VCES为600V的IGBT；而对输入电压高于交流220V而小于380V的电力电子设备，一般选用VCES为1200V的IGBT；对输入电压为交流440V的电力电子系统，一般选用VCES为1600V的IGBT。
（3）散热器与IGBT外壳之间的温度计算 选用IGBT时，建议散热器应保证IGBT外壳的温度在最大负载时不超过IGBT所允许的最高壳温，同时应保证IGBT内部结温不超过最高结温的80％，使用中可按下式计算：
Tc＝T*j－Rth(j-c)W
式中 Tc——IGBT的壳温
T*j——最高允许结温的80％
Rth(j-c)——IGBT外壳与散热器之间的热阻
W——IGBT工作时的损耗
5.使用中的散热设计——不可忽视的重要问题
IGBT模块通电时会产生损耗，但损耗可用适当的散热器释放到外部去。内部结温与IGBT工作时的损耗和由散热条件决定的热阻有很大的关系，使用中应选择保证结温在最高结温范围之内的散热器。
（1）散热器的选择 散热条件应按IGBT所允许的结温进行设计。对于环境温度，结温可根据下式推定：
Tj＝Ta+N［P(V)+P(D)］Rth(f-a)+ ［P(V)+P(D)］Rth(c-f) +P(V) Rth(j-c)(V)
为了保证可靠性，使用中最高结温选用结温为IGBT所允许极限结温的80％。一般IGBT所允许的最高极限结温为150℃，所以上式中的散热器热阻应满足下式：
Rth(f-a)＝｛120－Ta－［P(V)+P(D)］Rth(f-a)－P(V) Rth(j-c)(V)｝/ ｛N［P(V)+P(D)］｝
根据实际测定的壳温，可反推出IGBT所允许的最高结温Tj。如果以壳温Tc为标准，则Tj可表示如下：
Tj＝Tc++P(V) Rth(j-c)
（2）损耗的计算 IGBT模块产生的损耗是IGBT损耗与集成在内部的续流二极管（FWD）损耗之和。
IGBT损耗与FWD损耗由以下损耗构成：
IGBT损耗P(V)＝通态损耗Psat(V)+开关损耗PSW(V)
FWD损耗P(D)＝通态损耗Psat(D)+反向恢复损耗
6.使用中应特别注意的机械安装问题
（1）模块的安装 散热器加工以及表面平整度对接触热阻影响很大，从而对功耗及使用中的输出功率具有决定作用。这一问题通常不被使用者重视。因此推荐 以下标准：
表面加工（粗细）：6s（6μm以下）；
散热器的平整度，在凸方向时，将造成被安装模块的歪斜，因此有破损IGBT模块的可能；在凹方向时，会增加接触热阻。要求在模块和散热器的接触面上涂上导热硅脂。注意，必须使用在使用温度内不变质且性能无变化的导热硅脂。
散热器表面平面度增加，将使热阻迅速减小，因而使用中必须同时保证紧固螺栓的垂直方向压力。
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引用 shshibang 2007/10/23 10:18:52 发表于2楼的内容
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引用 lyting 2007/11/11 11:24:13 发表于3楼的内容
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WZL139547139 | 当前状态：离线
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最后登录时间： 2008-09-07
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WZL139547139 发表于 2007/11/12 11:02:27
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引用 WZL139547139 2007/11/12 11:02:27 发表于4楼的内容
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