IGBT绝缘栅双极晶体管是典型的双极MOS复合功率器件。它结合了功率MOSFET的工艺技术，将功率MOSFET和功率管GTR集成在同一芯片上。该器件具有开关频率高、输入阻抗大、热稳定性好、驱动电路简单、饱和电压低、电流大等特点，广泛用作工业控制、电力电子系统等领域的功率器件(如伺服电机调速、变频电源等)。为了使我们设计的系统更加安全可靠地工作，对IGBT的保护尤为重要。
目前，在IGBT的使用和设计过程中，基本采用的是粗放式的设计模式——要求的裕量大，系统庞大，但仍然无法抵御外界的干扰和自身系统造成的各种故障问题。瞬时闪电子公司利用其在半导体领域的生产和设计优势，结合了瞬态抑制二极管的特性。在研究IGBT失效机理的基础上，通过整合系统内外，突破设计瓶颈。本文将突破传统的保护模式，探讨IGBT系统电路保护设计的解决方案。
IGBT故障场合:杂散电感、电机的感应电动势和来自系统内部的负载突变，如电力系统，都会引起过电压和过电流；来自系统外部，如电网波动、电力线感应、浪涌等。归根结底，IGBT的失效主要是由集电极和发射极的过压/过流以及栅极的过压/过流引起的。
IGBT的失效机理:如果IGBT由于上述原因短路，会产生很大的瞬态电流——关断时电流变化率di/dt过大。漏电感和引线电感的存在会导致IGBT集电极过电压，在器件内部产生闭锁效应，使IGBT闭锁失效。同时，较高的过电压会使IGBT击穿。由于上述原因，IGBT进入放大区，增加了电子管的开关损耗。
IGBT传统的故障预防机制:最小化主电路的布线电感和电容，以降低关断过电压；集电极和发射极之间放置一个续流二极管，RC电路和RCD电路并联。在电网中，根据电路容量合理选择串联阻抗，并联齐纳二极管，防止电网过电压。
IGBT故障保护
1.集电极过压过流保护，以IGBT变频调速电源主电路为例(图1)。
在集电极和发射极之间并联RC滤波电路可以有效抑制关断过电压和开关损耗。但在实际应用中，由于DC电源前端的浪涌会对集电极产生过电压，使RC滤波电路的抑制作用生效，所以IGBT通常会被击穿或短路。另外，电机启动时，分布在主线上的电感也会在很大程度上引起感应过电压，损坏IGBT。与此同时，电机励磁产生的感应电动势也对电路造成了相当大的损害——工程师往往没有考虑到这一点。
针对以上情况，浪涌部分可以采用防雷电路保护(图2)。瞬雷电子研发的蓝宝宝浪涌抑制器(BPSS)具有极大的过流能力和极低的雷击残压。同时，对于电机部分，根据ISO7637的相关标准，该产品完全可以使用。但是使用其他设备无法同时实现以上两种情况。具体问题如下:压敏电阻在ISO7637长波(P5A)容易失效，不适合长期使用；陶瓷放电管不能直接用于有源电路，常因续流问题导致短路，抑制电压过高。
2.电网过压和过流保护
传统保护模式:保护方案防止栅电荷积累和栅源电压峰值对IGBT的破坏——可以在G电极和E电极之间设置一些保护元件。下图所示的电阻RGE的作用是将栅极上积累的电荷放电(其电阻值可以是5kω)；反向串联的两个齐纳二极管V1和V2被设计成防止栅源电压尖峰损坏IGBT。此外，还提供了控制电路与被驱动IGBT之间的隔离设计，以及适合门电路的驱动脉冲电路设计。然而，即便如此，在实际的工业环境中，上述方案仍然具有相对较高的产品故障率——有时甚至超过5%。相关实验数据和研究表明，这与瞬态浪涌、静电和高频电子干扰密切相关。 而稳压器的响应时间和电流电阻远远不够，导致IGBT过热而损坏。
新的保护模式:将传统的电压调节器改为一种新型的瞬态抑制二极管(TVS)。一般栅极驱动电压在15V左右，可以选择SMBJ15CA。本产品可通过10/700US 6kV的IEC61000-4-5浪涌测试。
TVS反应速度非常快(PS级)，电流流通能力远超齐纳二极管(高达数千安培)。同时，TVS具有非常好的静电抑制效果。产品能通过8kV IEC61000-4-2接触放电和15kV空气放电的放电试验。
传统电阻RG改为正温度系数(PPTC)导线。它不仅有电阻的作用，而且对温度很敏感。当内部电流增大时，其阻抗也增大，对过流有非常好的抑制作用。
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