今天我們來(lái)介紹下新產(chǎn)品IGBT，又稱絕緣柵極雙極性晶體管。
在實(shí)際電子應(yīng)用中最常見(jiàn)的電子元器件是雙極結(jié)型晶體管 BJT 和 MOS管。
而IGBT（絕緣柵極雙極性晶體管）你可以把 將它 看作 BJT 和 MOS 管的融合體，這是因?yàn)镮GBT具有 BJT 的輸入特性和 MOS 管的輸出特性。
與它們相比，IGBT具備更大的功率增益，更高的工作電壓、更高的短路電流電平、更小的芯片尺寸，以及更低的熱容量和短路耐受時(shí)間。
針對(duì)IGBT的以上優(yōu)勢(shì)，本期文章我們來(lái)討論工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中IGBT實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的問(wèn)題。
首先來(lái)看IGBT的短路耐量
一開(kāi)始IGBT的人認(rèn)為短路能力就是看短路耐量的長(zhǎng)短。但其實(shí)在很多情況下，其短路耐量是無(wú)法表征實(shí)際的短路能力。事實(shí)上，短路耐量實(shí)際上是一種熱失效，并且是在芯片熱量分布相對(duì)比均勻的情況下的一種失效，并且它的短路耐受時(shí)間與其跨導(dǎo)或增益有關(guān)。
一般情況下，更高的增益導(dǎo)致IGBT內(nèi)的短路電流會(huì)更高，因此增益較低的IGBT具備較低的短路電平。然而，較高增益同樣會(huì)導(dǎo)致較低的通態(tài)導(dǎo)通損耗。
這個(gè)時(shí)候就要進(jìn)行權(quán)衡取舍了。
隨著技術(shù)的發(fā)展，IGBT逐漸增加了短路電流電平，又降低短路耐受時(shí)間的優(yōu)勢(shì)。這使得它的芯片尺寸更小，縮小了模塊的尺寸。
IGBT過(guò)流保護(hù)
對(duì)于IGBT而言，它并非屬于故障安全元件，因此在遇見(jiàn)故障時(shí)，它可能會(huì)直接導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個(gè)驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障。因此，對(duì)于過(guò)流保護(hù)，需要通過(guò)電流測(cè)量或飽檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
比如，在進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)，逆變器和相位輸出需要加入分流電阻等測(cè)量器件，以便應(yīng)對(duì)直筒故障和電機(jī)繞組故障。控制器或者或柵極驅(qū)動(dòng)器中的快速執(zhí)行跳變電路必須及時(shí)關(guān)斷IGBT，防止超出短路耐受時(shí)間。
正常工作時(shí)，IGBT的集電極-發(fā)射極電壓非常低(典型值為1 V至4 V)。然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅(qū)動(dòng)IGBT退出飽和區(qū)并進(jìn)入線性工作區(qū)的電平。這會(huì)導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快速升高。
在上述中正常的電壓電平表示存在短路，通常在去飽和時(shí)，柵極-發(fā)射極電壓會(huì)存在過(guò)低，且IGBT沒(méi)能完全驅(qū)動(dòng)值飽和區(qū)，這時(shí)就要仔細(xì)檢測(cè)以防誤觸發(fā)。通常還會(huì)加入電流源充電電容或RC濾波器，以便在檢測(cè)機(jī)制中產(chǎn)生短暫的時(shí)間常數(shù)。
正常工作下，建議柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為能夠盡可能快速地關(guān)閉IGBT，以便最大程度降低開(kāi)關(guān)損耗。這可以通過(guò)較低的驅(qū)動(dòng)器阻抗和柵極驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。如若過(guò)流條件施加同樣的柵極關(guān)斷速率，則集電極-發(fā)射極的di/dt將會(huì)大很多，因?yàn)樵谳^短的時(shí)間內(nèi)電流變化會(huì)較大。
因此，為降低di/dt以及其它潛在破壞性的過(guò)壓電平，在關(guān)斷IGBT時(shí)，提供阻抗較高的關(guān)斷路徑很重要。
那么，除了上述的檢測(cè)方法以外，在對(duì)IGBT的選型上也是十分重要的。在大部分的IGBY規(guī)格書(shū)，一般都會(huì)規(guī)定其短路電流指標(biāo)，而我們要注意的有以下幾個(gè)參數(shù)：
1. VCC電壓，即在短路測(cè)試中的Vce電壓，或者說(shuō)是短路測(cè)試的母線電容電壓；
2. Vge電壓，即驅(qū)動(dòng)電壓；
3. Rg驅(qū)動(dòng)電阻
4. 測(cè)試溫度，一般是25℃，也存在120℃或者150℃
5. 部分規(guī)格書(shū)還有短路測(cè)試的最大重復(fù)次數(shù)。
IGBT具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.具有更高的電壓和電流處理能力。
2.具有非常高的輸入阻抗。
3.可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。
4.電壓控制裝置，即它沒(méi)有輸入電流和低輸入損耗。
5.柵極驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單且便宜，降低了柵極驅(qū)動(dòng)的要求
6.通過(guò)施加正電壓可以很容易地打開(kāi)它，通過(guò)施加零電壓或負(fù)電壓可以很容易地關(guān)閉它。
7.具有低導(dǎo)通電阻，高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。
8.具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益、更高的開(kāi)關(guān)速度
9.可以使用低控制電壓切換高電流電平。
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