1 IGBT的工作原理
IGBT的等效电路如图1所示。
从图1可以看出，如果在IGBT的栅极和发射极之间加一个正的驱动电压，MOSFET就会导通，这样PNP晶体管的集电极和基极就会处于低阻状态，晶体管就会导通。如果IGBT的栅极和发射极之间的电压为0V，则MOSFET关断，从而切断PNP晶体管基极电流的供给，使晶体管截止。
因此，IGBT的安全性和可靠性主要由以下因素决定:
——IGBT栅极和发射极之间的电压；
——IGBT的集电极和发射极之间的电压；
-流经IGBT集电极-发射极的电流；
——IGBT的结温。
如果IGBT的栅极和发射极之间的电压太低，即驱动电压太低，IGBT就不能稳定正常地工作，如果太高，IGBT就可能损坏。同样，如果加在IGBT集电极和发射极上的允许电压超过了集电极和发射极之间的耐压，流过IGBT集电极和发射极的电流超过了集电极和发射极的允许电流，IGBT的结温超过了其结温的允许值，IGBT就可能损坏。
2保护措施
在设计电路时，应针对影响IGBT可靠性的因素采取相应的保护措施。
2.1 IGBT门保护
IGBT的栅极-发射极驱动电压VGE的保证值是20V。如果超过保证值的电压加在它的栅极和发射极之间，IGBT可能会损坏。因此，应该在IGBT的驱动电路中设置栅极电压限制器电路。另外，如果IGBT的栅极和发射极之间存在开路，在集电极和发射极之间施加电压，随着集电极电位的变化，由于栅极和集电极与发射极之间寄生电容的存在，栅极电位上升，集电极-发射极电流流动。此时，如果集电极和发射极处于高压状态，IGBT可能被加热甚至损坏。如果在运输或振动过程中断开电网电路，并且在没有注意到的情况下将电压施加到主电路，则可能会损坏IGBT。为了防止这种情况发生， IGBT的栅极和发射极之间要并联一个几十kω的电阻，尽量靠近栅极和发射极。如图2所示。
由于IGBT是功率MOSFET和PNP双极晶体管的复合体，特别是它的栅极是MOS结构，除了上述应有的保护外，IGBT和其他MOS结构的器件一样，对静态电压也非常敏感，所以在组装和焊接IGBT时，还必须注意以下事项:
——用手触摸IGBT前，应先将人体上的静电放电后再操作，尽量不要触摸模块的驱动端子部分。触摸时，要保证此时人体上的静电已经全部放电；
-在焊接操作过程中，为了防止静电损坏IGBT，焊机必须可靠接地。
2.2集电极和发射极之间的过压保护
过电压主要发生在两种情况，一种是施加在IGBT集电极和发射极之间的DC电压过高，另一种是集电极和发射极上的浪涌电压过高。
DC过电压
DC过电压的原因是输入交流电源或IGBT前端输入异常。解决方法是在选择IGBT时进行降额设计；此外，当检测到过压时，IGBT的输入可以被切断，以确保IGBT的安全。
浪涌电压保护
由于电路中分布电感的存在和IGBT的高开关速度，当IGBT关断，并联的反向恢复二极管反向时，会产生较大的浪涌电压Ldi/dt，威胁IGBT的安全。
通常，IGBT的浪涌电压波形如图3所示。
图中:vCE是IGBT？电极和发射器之间的电压波形；
Ic是IGBT的集电极电流；
Ud是输入到IGBT的DC电压；
Vcesp = ud+ldic/dt，即浪涌电压的峰值。
如果VCESP超过IGBT的集电极-发射极耐压VCES，可能会损坏IGBT。解决方案主要包括:
——选择IGBT时考虑设计余量；
-在电路设计中调整IGBT驱动电路的Rg，使di/dt尽可能小；
-在尽可能靠近IGBT的地方安装电解电容器，以减少分布电感；
-根据情况安装缓冲保护电路，以旁路高频浪涌电压。
由于缓冲保护电路在IGBT的安全运行中起着重要的作用，这里介绍缓冲保护电路的类型和特点。
——C缓冲电路如图4(a)所示，采用薄膜电容，安装在IGBT附近。其特点是电路简单。其缺点是LC谐振电路由分布电感和缓冲电容组成，容易产生电压振荡，IGBT开通时集电极电流大。
——RC缓冲电路如图4(b)所示，特点是适用于斩波电路。但使用大容量IGBT时，必须增加缓冲电阻值，否则导通时集电极电流过大，限制了IGBT的作用。
-RCD缓冲电路如图4(c)所示。与RC缓冲电路相比，其特点是增加缓冲二极管，增加缓冲电阻，从而避免了IGBT功能在开启时被阻断的问题。
缓冲电路中缓冲电阻引起的损耗如下
P = li2f+cud2f其中:l为主电路中的分布电感；
I是IGBT关断时的集电极电流；
f是IGBT的开关频率；
c是缓冲电容；
Ud是DC电压值。
——放电阻断缓冲电路如图4(d)所示。与RCD缓冲电路相比，它的特点是损耗小，适用于高频开关。
缓冲电路中缓冲电阻上产生的损耗如下
P=1/2LI2f+1/2CUf
根据实际情况，选择合适的缓冲保护电路来抑制关断浪涌电压。组装时，主电路和缓冲电路的分布电感要尽量减小，布线越短越粗越好。
2.3集电极电流过流保护
IGBT的过流保护主要有三种方法。
2.3.1用电阻或电流互感器检测过电流进行保护。
如图5(a)和5(b)所示，电阻器或电流互感器可以与IGBT串联连接，以检测流经IGBT集电极的电流。当出现过电流时，控制执行器断开IGBT的输入，从而保护IGBT。
2.3.2过电流由IGBT VCE(sat)检测保护。
如图5(c)所示，因为VCE(sat)=IcRCE(sat)，当Ic增加时，VCE(sat)也增加。如果栅极电压处于高电平并且VCE为高，则此时会发生过电流。此时，与门输出高电平，输出过流信号，控制执行器断开IGBT的输入，保护IGBT。
2.3.3检测保护用负荷电流。
这种方法与图5(a)中的检测方法基本相同，但图5(a)是直接法，是间接法，如图5(d)所示。如果负载短路或负载电流增加，也可能增加前一级IGBT的集电极电流，导致IGBT损坏。负载(或IGBT回路)检测到异常后，控制执行机构切断IGBT的输入，达到保护的目的。
2.4过热保护
一般流过IGBT的电流大，开关频率高，所以器件的损耗也大。如果热量不能及时散发，导致器件Tj的结温超过Tjmax，IGBT可能会损坏。
IGBT的功耗包括稳态功耗和动态功耗，其动态功耗包括开启功耗和关闭功耗。在热设计上，不仅要保证正常工作时能充分散热，还要保证短时间过载时IGBT的结温不超过Tjmax。
当然，由于设备尺寸和重量的限制，以及性价比的考虑，冷却系统不可能无限扩展。可以在IGBT附近安装一个温度继电器来检测IGBT的工作温度。控制执行机构在异常情况下切断IGBT的输入，以保护其安全。
此外，在散热器上安装和固定IGBT时，应注意以下事项:
-由于热阻随IGBT的安装位置而变化，如果散热器上只安装一个IGBT，则应安装在中间，使热阻；当需要安装几个igbt时，应根据每个IGBT的发热情况预留相应的空间；
——使用有线条的暖气片时，IGBT较宽的方向要顺着暖气片的线条，以减少暖气片的变形；
-散热器安装面的光滑度应≤ 10μ m，如果散热器表面不平整，散热器与器件的接触热阻会大大增加，甚至会在IGBT模具与管壳之间的基板上产生很大的张力，损坏IGBT的绝缘层。
——为了降低接触热阻，在散热器和IGBT模块之间涂抹导热硅脂。
3结论
使用IGBT时，应根据实际情况采取相应的防护措施。只要在过压、过流、过热等方面采取有效的保护措施，在实际应用中可以取得良好的效果，IGBT可以安全可靠地工作。