全面认识IGBT及其驱动与保护电路的特点（下）

3．过压保护
在IGBT关断过程中，由于其c极电流下降较快，在电路杂散电感与负载电感的作用下，会在IGBT的c、e极间产生很高的浪涌尖峰电压，尤其是在IGBT工作电压本就很高的电路中，这样极易击穿IGBT。因此，对IGBT进行过压保护也十分必要。
为了避免尖峰电压损坏IGBT、一是要优化主电路结构（采用分层布线、尽量缩短连线等），减少杂散电感；二是在线路上多加装一些退藕电容，以减少线路电感；三是安装脉冲吸收回路。
吸收回路的作用是吸收电感释放的能量，其电路形式主要分为充放电型和放电阻止型两类。充放电型又分有RC吸收与RCD吸收两种，分别如图13、14所示。RC吸收电路因电容C的充电电流在电阻R上产生压降，还会造成过冲电压。RCD电路因用二极管旁路了电阻上的充电电流，从而消除了过冲电压。



电容Ca1、Ca2应选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容，也可选用陶瓷电容，容量为2nF左右。虽容量选大一些，有利于浪涌尖峰电压的抑制，但过大会受到放电时间的限制。电阻Ra1、Ra2应选用氧化膜无感电阻，其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求，可按R≤T/6C计算，T为主电路的开关周期。二极管VD1、VD2应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的二极管。
常见的放电阻止型吸收电路如图15～17所示，电容CS的放电电压为电源电压。在每次IGBT关断时，CS将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小了吸收电路的功耗，但这类电路的电压吸收能力不如上述RCD充放电型。





4．过热保护
由于IGBT是大功率器件，通常工作在大电流状态，自身发热也较快（尤其是RG偏大时），加之IGBT的结温不能超过125℃，且不宜长期工作在较高温度下，因此要进行过热保护。
在实际应用中，IGBT的过热保护通常采用强制散热与保护电路相结合的方式。例如：在电磁炉中，将IGBT安装在一块面积较大的金属片上，并采用风扇对IGBT进行风冷散热，如图18所示；同时，在IGBT表面或其散热器上安装温度传感器，当检测到温度超过设定值时，单片机会发出IGBT关断指令，这时驱动电路停止输出IGBT驱动脉冲，从而达到保护的目的。

五、IGBT在变频家电中的应用
变频家电分交流变频和直流变频两类，前者指采用三相交流感应电机的机种，后者指采用三相直流无刷电机的产品。相比之下，直流无刷电机能效比高，尺寸也较小，但价格却高出很多。目前，我国的变频家电绝大部分是交流变频产品。
主流变频家电的硬件主要由电机、电机控制器以及功率变换模块组成。其中，功率变换模块是电子控制系统中最关键和成本最高的部件，目前大多使用智能功率模块（IPM）。
IPM将IGBT、驱动电路以及保护电路集中在一个模块中，其输出电流与耐压由IGBT决定。目前，IPM的输出电流可达600A，耐压可达1200V，能够控制数千瓦的电机。IPM的出现，加快了变频家电市场的发展，变频空调、变频冰箱、变频洗衣机等产品正快速进入千家万户。以变频空调为例，近几年的变频空调全采用了IPM方式，并且主要采用日本三菱IPM方案和三洋IPM方案，其外形如图19所示。变频压缩机运转的频率由IPM输出的交流电压控制，IPM输出的电压越高，压缩机运转频率及输出功率就越大；反之，压缩机运转频率及输出功率就越低。

提示：IPM一般有P（或＋）、N（或－）、U、V、W五个连接端点，连线时一定要一一对应，若将某端点的连线接错，上电开机便会导致IPM损坏。“P”或“＋”端连接直流电正极，“N’’或“－”端连接直流电负极，“U”、“V”、“W”端为压缩机的连接线，需对照外机接线图进行连接。
另外，板上还有两个插座，插针数较多的通常是模块的控制信号连线插座，另一个则是模块驱动电源连接插座。
变频空调的IPM的后级电路主要由6只大功率IGBT组成，如图20所示。Q1～Q3为上臂，Q4～Q6为下臂，在驱动电路的作用下，每一个时刻，上臂中的一只IGBT与下臂中的一只IGBT同时导通（Q1、Q4、Q2、Q5、Q3、Q6不能同时导通），这6只IGBT按照表1的顺序循环通断，从而将输入模块的直流电压（一般为260V～310V）转变为驱动变频压缩机（CM）的三相交流电压（电压值一般低于AC220V）。



当出现过流、过热、欠压等现象时，IPM内部保护电路启动，驱动电路停止输出脉冲，会拉低IGBT的栅极电压，使之可靠地关断，并将故障信号送给主板CPU，让CPU启动保护程序，并作出声光报警提示。