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实验，列举了IGBT发生击穿故障的多种原因，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保护电路。

关键词：击穿 驱动 保护

中图分类号：O 453 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）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用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，该文通过使IGBT工作在500 V/10 KHz条件下进行的各项试验，对不同原因导致的击穿现象进行分析总结，论述了不同情况下击穿的根本原因及表现形式，提出了一种IGBT驱动保护电路，经实际验证，此电路运行稳定，保护动作快速有效。

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。非常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 击穿原因分析

由于该器件经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非常高，究其根本击穿原因有以下三点：过压击穿、过流击穿、过温击穿。

1.1 过压击穿

引起过压击穿的原因有很多，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=L×dic/dt，此电压若大于IGBT的耐压值，则会击穿IGBT；另外，静电、负载变化、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升高而升高，就会在耗尽层产生大量的电子和空穴，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-空穴对立即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，反向电流迅速增大，发生雪崩击穿，直至PN 结损坏。这个使得PN 结电场增强到临界值的外部电压称为IGBT的雪崩击穿电压。

第二步：IGBT短路，IGBT的雪崩击穿是一个可逆过程，不会立即导致IGBT损坏，此过程如果通过增加吸收回路等方法使过压时间控制在10个电压脉冲周期以内，IGBT不会表现为不可逆的击穿状态，但如果吸收回路没能在短时间内吸收浪涌电压，那么IGBT则会表现为集电极发射极短路状态（静电击穿门级表现为门级发射极短路），此状态不可逆。

1.2 过流击穿

导致IGBT过流击穿的原因多为负载短路、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原因。

IGBT有一定抗过电流能力，但时间要控制在10 us以内。IGBT 内部有一个寄生晶闸管，所以有擎住效应。在规定的发射极电流范围内，NPN 的正偏压不足以使其导通，当发射极电流大到一定程度时，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，导致寄生晶闸管开通，此时门极会失去控制作用，便发生了擎住效应，IGBT 发生擎住效应后，发射极电流过大造成了过高的功耗，最后导致器件的损坏。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控制在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劳以及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原因为散热设计不完善，电路设计原因为死区时间设置过短、控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。

过温失效主要表现在以下几个方面：栅门槛电压VGE增大；CE动态压降VCE增大；动态导通时间增大，关断时间减小；开关损耗增大。

2 驱动保护电路设计

2.1 驱动电路设计思路

以K40T120（1200 V/40 A）型IGBT为例进行驱动电路设计：

2.1.1 确定门级电电容及驱动电压：用Cin=5 Ciss进行计算，根据手册可查Ciss=2360 pF，则Cin=2360×5=11.8 nF，

根据Q＝∫idt＝Cin×ΔU计算驱动电压ΔU经查此IGBT门级电容Q=192 nC，ΔU=Q/Cin=16.3 V，因此最小驱动电压为16.3 V。

2.1.2 确定门级正偏压以及负偏压：正偏压Vge越高，器件的导通损耗就越小，但是，Vge不允许超过+20 V，原因是一旦发生过流或短路，Vge越高，则电流幅值越高，IGBT损坏的可能性就越大。负偏压的应用是为了在栅极出现开关噪声时仍能可靠截止，一般选为5～15 V为宜。综合最小驱动电压16.3 V，由器件Vgate/Ic曲线选定正偏压+11 V、负偏压-9 V为最终驱动电压。

另外，驱动电路还应有门极电压限幅功能，以防外界干扰及器件损坏等造成的门级过驱动击穿IGBT。

2.1.3 确定驱动电流及驱动电阻：一般来讲，IGBT器件的耐压耐流越大，IGBT的门极和集电极间的等效电容越大，所需的电流越大，此外开关频率越大，所需门级电流越大。

K40T120的门级电流为200 mA，以20 V驱动电压计算，其最小驱动电阻为20 V/200 MA=10 K，选择10 K作为驱动电阻。

由器件的Rg/Td（on）Td（off）曲线结合所需开关频率确定门级电阻为40 Ω。

此外，IGBT驱动电路需要设计隔离电路（可采用光耦隔离或变压器隔离），防止IGBT击穿时损坏驱动电路或者中控电路，设计的思路是尽可能的简单实用，要有抗干扰能力，输出阻抗越低越好。

2.2 IGBT驱动电路

由于电路中分布电感和分布电容对IGBT高速开关状态会有很大的影响，所以采用分级设计，前后级用双绞线进行连接。

图1所示为K40T120的前级驱动电路：由光耦进行隔离，信号由光耦输入，20 V电压输入经整形变为+11/-9 V的驱动波形由G/E输出。

图中电容的作用是使输出波形更平稳，稳压管1N4739（9.1 V稳压管）的目的是提供负偏压，可根据实际情况进行改变。

图2所示为IGBT后级驱动部分，以H桥单桥臂为例实际应用中可在电源母线加装π型滤波器、增加电容组的容量以抑制浪涌电压，P6KE16CA为双向瞬态电压抑制器件，防止门级电压过高引起器件损毁。

2.3 IGBT的保护

IGBT的过压保护主要采用减少电路分布电感、增加吸收缓冲回路、增大门级电阻等方法来实现，此部分电路加装在驱动电路部分。

IGBT的过温保护主要采用散热片加风冷的方式实现，并参考实际应用参数（工作电流及环境温度）进行设计，在此不再赘述。

IGBT过流保护电路：

IGBT具有一定的过流能力，但是过流时间不可超过10 us，要求过流保护电路要有高精度、快速反应等优点，因此采用电源母线采样、高速比较器进行电流比较，一旦超过设定电流立刻关断驱动波形，保护IGBT。

图3所示保护电路，高速比较器采用LM211，电感L串入母线回路，由330 Ω电阻进行采样并经分压输入2脚，3脚的基准电压有电源电压分压得到，调整20K电阻调节保护灵敏度，CD4013的输出端可根据实际需要接入波形发生电路或经光耦隔离接入驱动电路。

此保护电路在500 V/20 A的逆变电路中应用，IGBT击穿率下降到7%左右，有实际的应用价值。

3 结语

IGBT器件由于其工作在大电压、大电流的状态下，因此，发生击穿甚至炸管的故障较多，但是，只要按照器件手册及相关计算公式计算驱动电压、电流，选定稳定可靠的驱动电路，合理设计电路板结构，增加相应的保护措施，IGBT完全可以稳定可靠地工作。

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