大功率晶体管的保护

1.过流保护

GTR承受电流冲击的能力很弱,使用快速熔断器作为过流保护无任何意义,因为GTR可能先行烧毁。此时只能用开关的快速动作进行过流保护,其原则是在集电极电流未达破坏元件之值前就撤去基极驱动信号,同时施加反向偏置使晶体管截止。

1GTR的输出特性(伏安特性),其上可划分出饱和区、准(临界)饱和区、线性放大区及截止区。在饱和区,GTR的通态损耗最小,但这种状态不利于器件迅速关闭切换至截止区。为此,可通过减小和控制正向基极偏置使GTR处于饱和状态的边缘,即准饱和状态,此时其通态损耗比饱和状态下稍高、但大大低于线性放大状态。因此,工作在开关状态的GTR其负载极限工作点应通过基极电流Ib调整在准饱和区,如A点(UcegIcg)。


       1  GTR输出特性                    2  GTR过流保护原理图

由于GTR的通态压降Uce与元件工作点直接有关,故可采用Uce作为过载特征参数,实行有效的过流保护。图2为其原理性。

2.缓冲电路

在图3所示的电感负载下,为抑制GTR关断时产生的负载自感过电压,电感L两端常并接续流VDF,使GTR关断时有负载电流IL经它续流。无论在开还是关的过程,GTR都要经历电压、电流同时很大的一段时间,造成开关损耗p很大,如图4所示,这就限制了器件的工作频率。为此,需采用缓冲电路来解决开关损耗过大问题,其基本思想是错开高电压、大电流出现的时刻,使两者之积(瞬时功率)减小。

                 

3  GTR带电感性负载图                               4  GTR的关断、开通过程                                                          

5GTR关断吸收电路,它是在GTR集射极间并联C,利用电容两端电压不能突变的原理延缓关断时集射极间电压Uce上升速度,使Uce达最大值之前集电极电流Ic已变小,从而使关断过程瞬时功耗p变小,如图5b)所示。图a)中串联电阻是为了限制GTR导通时电容的放电电流,二极管VD则是在GTR关断时将R旁路,以充分利用电容的稳压作用。

 

5  GTR的关断吸收电路

a)原理电路;b)原理曲线

6 a )是开通吸收电路,其中与GTR串联的电感LS延缓了集电极电流的增长速度,且当电流急剧增大时会在其上产生较大压降,使得集射极电压在导通时迅速下降。这样电压、电流出现最大值的时间错开,关断时功率损耗p明显减少,如图6b)所示。图a)中与LS并联电阻可使GTR关断后续流电流迅速衰减,二极管则在GTR导通时隔离RSLS的旁路作用。

a)原理电路           b)原理曲线                                              

6 GTR的开通吸收电路

在实用中常将开通与关断吸收电路组合在一起构成复合吸收电路,图7为其中一种。图中LSRSVD组成开通吸收电路,RSVDCS组成关断吸收电路。

             

7 GTR复合缓冲电路               8  IGBT缓冲电路

IGBT的保护措施有:

1)通过检测过电流信号来切断栅极控制信号,关断器件,实现过流保护。

2)采用吸收电路抑制过电压、限制过大的重加电压上升率dUce/dt。

3)用温度检测IGBT的壳温,过热时使主电路跳闸保护。

IGBT使用中必须避免出现擎住现象。

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1.过流保护

GTR承受电流冲击的能力很弱,使用快速熔断器作为过流保护无任何意义,因为GTR可能先行烧毁。此时只能用开关的快速动作进行过流保护,其原则是在集电极电流未达破坏元件之值前就撤去基极驱动信号,同时施加反向偏置使晶体管截止。

1GTR的输出特性(伏安特性),其上可划分出饱和区、准(临界)饱和区、线性放大区及截止区。在饱和区,GTR的通态损耗最小,但这种状态不利于器件迅速关闭切换至截止区。为此,可通过减小和控制正向基极偏置使GTR处于饱和状态的边缘,即准饱和状态,此时其通态损耗比饱和状态下稍高、但大大低于线性放大状态。因此,工作在开关状态的GTR其负载极限工作点应通过基极电流Ib调整在准饱和区,如A点(UcegIcg)。


       1  GTR输出特性                    2  GTR过流保护原理图

由于GTR的通态压降Uce与元件工作点直接有关,故可采用Uce作为过载特征参数,实行有效的过流保护。图2为其原理性。

2.缓冲电路

在图3所示的电感负载下,为抑制GTR关断时产生的负载自感过电压,电感L两端常并接续流VDF,使GTR关断时有负载电流IL经它续流。无论在开还是关的过程,GTR都要经历电压、电流同时很大的一段时间,造成开关损耗p很大,如图4所示,这就限制了器件的工作频率。为此,需采用缓冲电路来解决开关损耗过大问题,其基本思想是错开高电压、大电流出现的时刻,使两者之积(瞬时功率)减小。

                 

3  GTR带电感性负载图                               4  GTR的关断、开通过程                                                          

5GTR关断吸收电路,它是在GTR集射极间并联C,利用电容两端电压不能突变的原理延缓关断时集射极间电压Uce上升速度,使Uce达最大值之前集电极电流Ic已变小,从而使关断过程瞬时功耗p变小,如图5b)所示。图a)中串联电阻是为了限制GTR导通时电容的放电电流,二极管VD则是在GTR关断时将R旁路,以充分利用电容的稳压作用。

 

5  GTR的关断吸收电路

a)原理电路;b)原理曲线

6 a )是开通吸收电路,其中与GTR串联的电感LS延缓了集电极电流的增长速度,且当电流急剧增大时会在其上产生较大压降,使得集射极电压在导通时迅速下降。这样电压、电流出现最大值的时间错开,关断时功率损耗p明显减少,如图6b)所示。图a)中与LS并联电阻可使GTR关断后续流电流迅速衰减,二极管则在GTR导通时隔离RSLS的旁路作用。

a)原理电路           b)原理曲线                                              

6 GTR的开通吸收电路

在实用中常将开通与关断吸收电路组合在一起构成复合吸收电路,图7为其中一种。图中LSRSVD组成开通吸收电路,RSVDCS组成关断吸收电路。

             

7 GTR复合缓冲电路               8  IGBT缓冲电路

IGBT的保护措施有:

1)通过检测过电流信号来切断栅极控制信号,关断器件,实现过流保护。

2)采用吸收电路抑制过电压、限制过大的重加电压上升率dUce/dt。

3)用温度检测IGBT的壳温,过热时使主电路跳闸保护。

IGBT使用中必须避免出现擎住现象。

大功率晶体管的保护

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