的损坏机理与保护形式

1. 造成IGBT模块损坏的主要原因

① 由于IGBT内部寄生晶闸管的存在，当漏极电流很大时，发生擎住效应，寄生晶闸管开通，漏极电流增大造成过高的损耗，最后导致IGBT损坏；在IGBT关断时，IGBT也可能会发生擎住效应，造成IGBT的损坏。

② 主电路发生短路故障时，IGBT由饱和导通区进入放大区，集电极电流并未大幅度增加，但集电极—发射极之间的电压很高，IGBT功耗很大，使IGBT发生局部过热而损坏。

③ 在高频工作条件下，当IGBT导通时，寄生电容通过IGBT放电，从而出现较大的浪涌电流，同时，与IGBT反并联的续流二极管在阻断能力恢复时，会因电流突变而在线路电感中产生换向过电压；当其关断时，正向电流迅速降低，也会因线路中存在电感而在 IGBT集电极—发射极之间产生较高的电压值。

④ IGBT的最大饱和压降为1.7～2.4 V，当新能源汽车工作在大功率运行工况时，其输出的电流很大，引起通态功耗增大。而且IGBT在开关过程中存在拖尾电流和超调电流，实际的开关损耗比理论计算的要高，若散热不当，则很可能会造成过热损耗。

2. 针对IGBT的损坏原因，常采用的保护措施

针对IGBT的损坏原因，常采用的保护措施如下。

① 在主电路中加入吸收电路，抑制过高的d /du t，对于IGBT模块，可以采用在直流输入端加吸收电容的方法。

② 通过检测IGBT导通压降检测过电流信号进而控制切断门极信号，实现过电流保护。

③ 利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时，由控制电路封锁IGBT驱动信号，实现过热保护。

④ 对于一般的过载和过电压，可以利用传感器检测电流或电压，进行集中保护。

IGBT 的过电流保护分为过载保护和短路保护，其中过载保护属于低倍数（额定电流的1.2～1.5 倍）的过电流保护，对于过载保护不必快速响应，可以采用集中保护，即检测输出电流或输入的母线电流，当电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动电路的输入脉冲，使输出电流降为零，这种过载电流保护，一旦动作，要通过复位才能恢复正常工作。短路保护属于高倍数（额定电流的8～10倍）的过电流保护，通常采取的保护措施有软关断和降栅压两种。软关断指在过电流和短路时，直接关断IGBT。但是软关断抗干扰能力较差，一旦检测到过电流信号就关断，容易发生误动作。为增加保护电路的抗干扰能力，可以在故障信号与起动保护电路之间加一定的延时，但是故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加功耗，同时还会导致器件的d /di t增大。降栅压指检测到过电流时，马上减低栅压，但器件仍保持导通。降栅压后设有一定的延时，故障电流在这一延时内被限定在一较小值，则降低了故障时的器件功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够减低器件关断时的d /di t，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件；若故障信号消失，驱动电路自动恢复到正常的工作状态，因而大大增强了抗干扰能力。

在设计过电流保护时，通常用短路耐量来考察IGBT承受短路电流的能力。通常把发生短路到器件损坏这段时间称为短路耐量，短路耐量的存在说明IGBT能够在一定的时间内承受短路电路，短路耐量与IGBT的集电极—发射极电压UCE、门极电压UGE及结温 Tj密切相关，当集电极—发射极电压UCE增加、门极电压UGE增加及结温 Tj升高时，短路耐量减小。器件短路时间超过短路耐量后，会因发热严重而导致损坏。另外一个参数是IGBT的安全工作区，该参数通常包括IGBT的短路安全工作区，包括正向安全工作区和反向安全工作区。IGBT短路安全工作特性由短路安全工作区来描述。当栅极脉冲宽度不大于10μs时，短路安全区有效。IGBT模块规定可承受1 000次短路情况，且两次短路之间的间隔时间应不小于1 s。

根据IGBT的短路特性，过电流保护的基本方法有降栅压保护和慢关断保护。其作用是设法延长允许的过电流时间，减小关断时的过电压冲击，以避免擎住现象。

（1）降栅压保护

降栅压保护是指当IGBT出现过电流时，将栅极驱动电压降低。这种方法有两大优点：一是延长IGBT的短路耐量，二是降低过电流幅值，这对处于过电流状态的IGBT是极为有利的。过电流状态和驱动电压的关系为：当栅极驱动电压UGE=10V时，器件的短路耐量为15μs；当驱动电压UGE=15V时，器件的短路耐量仅为5μs；如果在过电流开始时，将栅极驱动电压降低为10 V，则承受过电流的时间可以延长到15μs，并且过电流幅值也由原来的250 A下降到100 A。但是，由于UGE的降低，将导致IGBT导通压降升高，这将使器件的瞬时热损耗急剧增大。为了防止热损耗，这个时间应足够短，不允许因此而引起热损坏。实际应用中，过电流保护电路的整个相应时间通常小于10μs。

（2）慢关断保护

当出现过电流时，IGBT 的关断时间不能太快，而是逐渐降低栅压，直到关断，这种方法称为慢关断保护法。采用慢关断的原因是在过电流关断时，电流由一个很大的值迅速下降，形成很大的d /di t，将会在电路的感性元件上产生很高的反电动势，给IGBT和其他元件造成强烈的过电压冲击。

以上两种方法各有利弊，降栅压保护法可以延长IGBT的允许过电流时间，防止在大电流状态下快速关断，在感性元件上容易产生很高的反电动势。慢关断保护法存在允许过电流时间短等不足。在电路设计中可采用两种保护方式相结合的方法，取两者之长，并克服各自的不足，成为一种更完善的保护方法。