大功率电压型逆变器新型组合式

IGBT 过流保护方案

关键字：大功率电压型逆变器

 组合式 IGBT 过流保护 栅压 

引言

随着电力电子器件制造技术的发展，高性能、大容量的绝缘栅双极晶体管（

IGBT）因其具

有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、开关损耗低及工作频率高等特点，而越来越多地应
用到工作频率为几十

kHz 以下，输出功率从几 kW 到几百 kW 的各类电力变换装置中 。

IGBT 逆变器中最重要的环节就是高性能的过流保护电路的设计。专用驱动模块都带有过流
保护功能。一些分立的驱动电路也带有过电流保护功能。在工业应用中，一般都是利用这些
瞬时过电流保护信号，通过触发器时序逻辑电路的记忆功能，构成记忆锁定保护电路，以
避免保护电路在过流时的频繁动作，实现可取的过流保护。本文分析了大功率可控整流电压
型逆变器中封锁驱动及整流拉逆变式双重保护电路结构。

IGBT 失效原因和保护方法

IGBT 失效原因分析

引起

IGBT 失效的原因有：

1）过热损坏集电极电流过大引起的瞬时过热及其它原因，如散热不良导致的持续过热均会
使

IGBT 损坏。如果器件持续短路，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，

其温度迅速上升，若芯片温度超过硅本征温度（约

250

℃），器件将失去阻断能力，栅极

控制就无法保护，从而导致

IGBT 失效[1].实际运行时，一般最高允许的工作温度为 130

℃

左右。

2）超出关断安全工作区引起擎住效应而损坏擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应 。
IGBT 为 PNPN4 层结构，其等效电路如图 1 所示。体内存在一个寄生晶闸管，在 NPN 晶体
管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻

Rs，P 型体内的横向空穴电流在 Rs 上会产生

一定的电压降，对

NPN 基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内 ，

这个正偏置电压不大，对

NPN 晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时，该

正向电压足以使

NPN 晶体管开通，进而使 NPN 和 PNP 晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶

闸管导通，门极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态擎住效应。

IGBT 发生擎

住效应后，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主要是在器件高
速关断时电流下降太快，

dvCE/dt 很大，引起较大位移电流，流过 Rs，产生足以使 NPN 晶

体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁

[2].

3）瞬态过电流 IGBT 在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续