GBT用于開關(guān)許多產(chǎn)品中的電源，這些產(chǎn)品包括變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)、伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)汽車、巴士和卡車、火車、醫(yī)療設(shè)備（X光和MRI）、空調(diào)甚至一些專業(yè)音頻系統(tǒng)等。這些產(chǎn)品都屬于“大功率”應(yīng)用，它們很容易被視為電氣產(chǎn)品而非電子產(chǎn)品，因此人們會(huì)認(rèn)為它們并不容易受損。然而，有很多不同的失效機(jī)制會(huì)導(dǎo)致IGBT損壞，除非在設(shè)計(jì)過程中格外用心，確保器件的正確操作。

與所有器件一樣，運(yùn)行環(huán)境（溫度、熱沖擊、熱和功率循環(huán)以及振動(dòng)）可造成IGBT失效。ESD（靜電放電）也是一個(gè)失效因素。由于IGBT和門極驅(qū)動(dòng)器往往由機(jī)柜安裝人員而非電子專業(yè)人員進(jìn)行安裝，所以毫不出奇非常多的失效是由人為操作不當(dāng)引起。要防止IGBT出現(xiàn)此類失效，主要在于嚴(yán)格遵循安裝指南，并確保器件在規(guī)定的操作條件下工作。

過流是另一個(gè)潛在的失效原因。針對(duì)此問題有集成的解決方案可供使用，但也有簡單、低成本的解決方案，即在交流輸出端使用電流傳感器進(jìn)行測量來實(shí)現(xiàn)，而大多數(shù)客戶更愿意選擇低成本的方案。

其他的主要失效機(jī)制有短路、di/dt過高、dv/dt過高以及門極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極過壓。行業(yè)所需要的就是針對(duì)這些失效機(jī)制的保護(hù)功能，當(dāng)功率水平達(dá)到100 kW且系統(tǒng)成本較為昂貴時(shí)尤為需要，因此Power Integrations等IGBT驅(qū)動(dòng)器廠商已在其產(chǎn)品中集成了創(chuàng)新的可靠保護(hù)機(jī)制，能夠解決這些問題，從而為IGBT模塊提供強(qiáng)有力的保護(hù)。 

短路

圖1所示為IGBT在兩種不同短路情況下的表現(xiàn) - 小電感（情況1）和大電感（情況2）。一種常用的檢測短路從而在IGBT損壞之前將其關(guān)斷的方法是，使用一個(gè)集成了退飽和保護(hù)功能的光耦I(lǐng)C。遺憾的是，這種方法有兩個(gè)劣勢。第一，具有退飽和保護(hù)功能的光耦I(lǐng)C還要求采用高壓二極管，而這種二極管不僅成本昂貴，而且損耗也高。第二，也許更重要的是，所需的退飽和監(jiān)控電子元件通常對(duì)EMI或Vce電壓尖峰很敏感。這可以導(dǎo)致短路保護(hù)誤動(dòng)作，導(dǎo)致IGBT意外關(guān)斷。

圖1

而Power Integrations的IGBT驅(qū)動(dòng)器則采用了不同的方法。他們選用ASIC芯片組以減少元件數(shù)量并縮小尺寸，同時(shí)提高性能、效率和可擴(kuò)展性。該芯片組還具備先進(jìn)的監(jiān)控和控制功能。為解決短路測量問題，使用SCALE™-2芯片組和電阻串來動(dòng)態(tài)測量IGBT的VCE，請參見圖2。這不僅意味著小的電壓尖峰不會(huì)導(dǎo)致短路保護(hù)誤觸發(fā)，而且還擁有其他優(yōu)勢。電阻串方法比標(biāo)準(zhǔn)二極管測量方法的成本低，并且沒有耦合電容，因此沒有影響效率的多余電容，也不受dv/dt影響。更進(jìn)一步的優(yōu)勢是，可以使用一個(gè)參考管腳輕松調(diào)整短路保護(hù)的靈敏度，從而適應(yīng)特定的應(yīng)用。

圖2

高級(jí)/動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位

 SCALE™-2芯片組還用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的有源鉗位技術(shù)，以應(yīng)對(duì)前面提到的其他IGBT失效模式——di/dt過高、dv/dt過高以及門極-發(fā)射極和集電極-發(fā)射極過壓。

圖3：帶dv/dt反饋的動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位

基本有源鉗位（圖3中的方框AC）在關(guān)斷時(shí)可限制IGBT的VCE。IGBT會(huì)在其VCE超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)立即部分導(dǎo)通，然后維持在線性區(qū)內(nèi)工作，因此可降低集電極電流的下降速率，進(jìn)而限制集電極-發(fā)射極過壓。在SCALE™-2技術(shù)中，高級(jí)有源鉗位(AAC)反饋（圖3中的方框AC和AAC）是由驅(qū)動(dòng)器的副方ASIC實(shí)現(xiàn)的。只要電阻R2右側(cè)的電位因有源鉗位動(dòng)作而升高，與GL相連的驅(qū)動(dòng)器的推動(dòng)級(jí)的關(guān)斷MOSFET就會(huì)被逐步關(guān)斷。這樣會(huì)減少從IGBT門極流出并流入COM的電荷，該電荷流經(jīng)關(guān)斷門極電阻Rg,off。這不僅能減小IGBT關(guān)斷時(shí)集電極-發(fā)射極過壓，還可降低 TVS損耗，從而提高效率。

SCALE™-2驅(qū)動(dòng)器中還實(shí)現(xiàn)了dv/dt反饋功能（圖3中的 dv/dt feedback）。其作用是，在正常開關(guān)工作中實(shí)現(xiàn)非常有效的關(guān)斷過壓限制，而不會(huì)造成TVS熱過載。在集電極-發(fā)射極電壓升高時(shí)，由產(chǎn)生的電流會(huì)流入與TVS并聯(lián)的dv/dt反饋電容。該電流將進(jìn)一步為高級(jí)有源鉗位提供支持，因?yàn)樗魅胪粋€(gè)驅(qū)動(dòng)器端子，但會(huì)早于高級(jí)有源鉗位的TVS動(dòng)作。通過采用這種額外的驅(qū)動(dòng)方法，VCE電壓的鉗位變得更有效，TVS損耗更低。如果設(shè)置正確，IGBT可以在此操作模式下連續(xù)工作。因此，可以在更大的直流母線雜散電感下開關(guān)IGBT模塊，而不會(huì)超出IGBT的反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)。并且，不需要使用吸收電容。

Power Integrations已將鉗位技術(shù)提升到了新的水平：動(dòng)態(tài)高級(jí)有源鉗位(DA2C)增加了額外的TVS二極管（圖3中的方框DA2C），與高級(jí)有源鉗位中使用的TVS串聯(lián)。從IGBT導(dǎo)通開始，到IGBT發(fā)出關(guān)斷指令后的大約15-20us內(nèi)，輔助IGBT Q0都處于打開狀態(tài)，將這個(gè)額外的TVS短接，以降低有源鉗位的門檻值，確保獲得高效的有源鉗位（在IGBT關(guān)斷過程中額外的TVS不工作）。在經(jīng)過該15-20us的延遲時(shí)間后，輔助IGBT Q0關(guān)斷，這個(gè)加裝的TVS被激活，驅(qū)動(dòng)器的有源鉗位的門檻值被提高，這樣可以允許直流母線電壓在IGBT關(guān)斷期間上升到更高的值。這意味著，緊急停機(jī)后變換器系統(tǒng)的輸出電感會(huì)消磁，但無需擔(dān)心不可避免的直流母線電壓短時(shí)升高所造成的影響。 

軟關(guān)斷

AAC和DA2C都適合具有高換流雜散電感的應(yīng)用，這些應(yīng)用要求控制IGBT關(guān)斷時(shí)的di/dt，確保IGBT能夠在反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA)內(nèi)工作。但對(duì)于有些應(yīng)用，例如具有低換流雜散電感和IGBT關(guān)斷過沖處于RBSOA內(nèi)的應(yīng)用，更為簡單的選項(xiàng)是軟關(guān)斷(SSD)，因?yàn)樗哂胁恍枰猅VS二極管執(zhí)行有源鉗位的優(yōu)勢。軟關(guān)斷(SSD)會(huì)在檢測到短路后激活。它保護(hù)半導(dǎo)體免遭損壞的實(shí)現(xiàn)方式是，通過限制短路持續(xù)時(shí)間和電流斜率，從而使瞬時(shí)VCE始終低于VCES（半導(dǎo)體的阻斷電壓能力）。圖4所示為SSD功能的工作原理。 

圖4

VCE退飽和在P1時(shí)間（綠線）內(nèi)可見，由于采用軌到軌輸出技術(shù)，VGE（門極-發(fā)射極電壓，粉色線）始終非常穩(wěn)定。經(jīng)過P1（約5 µs）后，VGE在特定時(shí)間(tFSSD)內(nèi)被限定到較低值。在tFSSD期間，IC（短路電流）被限制，最初會(huì)出現(xiàn)較小的VCE過壓。在P3期間，半導(dǎo)體的門極進(jìn)一步放電。在放電過程即將完成時(shí)，門極會(huì)連接到COM，VGE迅速下降到關(guān)斷負(fù)電壓，剩余的門極電荷被移除，短路電流被切斷，然后再次出現(xiàn)較小的VCE過壓。整個(gè)短路檢測和安全關(guān)斷時(shí)間不到10 µs。Power Integrations通過新版SCALE™-2技術(shù)SCALE™-2+做到了這一點(diǎn)，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)AAC/DA2C或SSD功能。

集成 

Power Integrations的SCALE™-2芯片組是本文所述的所有IGBT保護(hù)機(jī)制的核心所在，該芯片組可在驅(qū)動(dòng)和控制IGBT模塊以及監(jiān)控其性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些功能。該芯片組可省去大量的其他解決方案需要用來實(shí)現(xiàn)這些功能的無源和有源元件。采用這種芯片組，驅(qū)動(dòng)器不僅能提供更多的功能，而且還能提高可靠性并減小尺寸。

作者：Michael Hornkamp，Power Integrations大功率產(chǎn)品區(qū)域營銷與系統(tǒng)工程高級(jí)總監(jiān)