GBT用于開關許多產品中的電源，這些產品包括變頻驅動器(VFD)、伺服驅動器、電動汽車、巴士和卡車、火車、醫療設備（X光和MRI）、空調甚至一些專業音頻系統等。這些產品都屬于“大功率”應用，它們很容易被視為電氣產品而非電子產品，因此人們會認為它們并不容易受損。然而，有很多不同的失效機制會導致IGBT損壞，除非在設計過程中格外用心，確保器件的正確操作。

與所有器件一樣，運行環境（溫度、熱沖擊、熱和功率循環以及振動）可造成IGBT失效。ESD（靜電放電）也是一個失效因素。由于IGBT和門極驅動器往往由機柜安裝人員而非電子專業人員進行安裝，所以毫不出奇非常多的失效是由人為操作不當引起。要防止IGBT出現此類失效，主要在于嚴格遵循安裝指南，并確保器件在規定的操作條件下工作。

過流是另一個潛在的失效原因。針對此問題有集成的解決方案可供使用，但也有簡單、低成本的解決方案，即在交流輸出端使用電流傳感器進行測量來實現，而大多數客戶更愿意選擇低成本的方案。

其他的主要失效機制有短路、di/dt過高、dv/dt過高以及門極-發射極和集電極-發射極過壓。行業所需要的就是針對這些失效機制的保護功能，當功率水平達到100 kW且系統成本較為昂貴時尤為需要，因此Power Integrations等IGBT驅動器廠商已在其產品中集成了創新的可靠保護機制，能夠解決這些問題，從而為IGBT模塊提供強有力的保護。 

短路

圖1所示為IGBT在兩種不同短路情況下的表現 - 小電感（情況1）和大電感（情況2）。一種常用的檢測短路從而在IGBT損壞之前將其關斷的方法是，使用一個集成了退飽和保護功能的光耦IC。遺憾的是，這種方法有兩個劣勢。第一，具有退飽和保護功能的光耦IC還要求采用高壓二極管，而這種二極管不僅成本昂貴，而且損耗也高。第二，也許更重要的是，所需的退飽和監控電子元件通常對EMI或Vce電壓尖峰很敏感。這可以導致短路保護誤動作，導致IGBT意外關斷。

圖1

而Power Integrations的IGBT驅動器則采用了不同的方法。他們選用ASIC芯片組以減少元件數量并縮小尺寸，同時提高性能、效率和可擴展性。該芯片組還具備先進的監控和控制功能。為解決短路測量問題，使用SCALE™-2芯片組和電阻串來動態測量IGBT的VCE，請參見圖2。這不僅意味著小的電壓尖峰不會導致短路保護誤觸發，而且還擁有其他優勢。電阻串方法比標準二極管測量方法的成本低，并且沒有耦合電容，因此沒有影響效率的多余電容，也不受dv/dt影響。更進一步的優勢是，可以使用一個參考管腳輕松調整短路保護的靈敏度，從而適應特定的應用。

圖2

高級/動態高級有源鉗位

 SCALE™-2芯片組還用于實現復雜的有源鉗位技術，以應對前面提到的其他IGBT失效模式——di/dt過高、dv/dt過高以及門極-發射極和集電極-發射極過壓。

圖3：帶dv/dt反饋的動態高級有源鉗位

基本有源鉗位（圖3中的方框AC）在關斷時可限制IGBT的VCE。IGBT會在其VCE超過預設的閾值時立即部分導通，然后維持在線性區內工作，因此可降低集電極電流的下降速率，進而限制集電極-發射極過壓。在SCALE™-2技術中，高級有源鉗位(AAC)反饋（圖3中的方框AC和AAC）是由驅動器的副方ASIC實現的。只要電阻R2右側的電位因有源鉗位動作而升高，與GL相連的驅動器的推動級的關斷MOSFET就會被逐步關斷。這樣會減少從IGBT門極流出并流入COM的電荷，該電荷流經關斷門極電阻Rg,off。這不僅能減小IGBT關斷時集電極-發射極過壓，還可降低 TVS損耗，從而提高效率。

SCALE™-2驅動器中還實現了dv/dt反饋功能（圖3中的 dv/dt feedback）。其作用是，在正常開關工作中實現非常有效的關斷過壓限制，而不會造成TVS熱過載。在集電極-發射極電壓升高時，由產生的電流會流入與TVS并聯的dv/dt反饋電容。該電流將進一步為高級有源鉗位提供支持，因為它流入同一個驅動器端子，但會早于高級有源鉗位的TVS動作。通過采用這種額外的驅動方法，VCE電壓的鉗位變得更有效，TVS損耗更低。如果設置正確，IGBT可以在此操作模式下連續工作。因此，可以在更大的直流母線雜散電感下開關IGBT模塊，而不會超出IGBT的反向偏置安全工作區(RBSOA)。并且，不需要使用吸收電容。

Power Integrations已將鉗位技術提升到了新的水平：動態高級有源鉗位(DA2C)增加了額外的TVS二極管（圖3中的方框DA2C），與高級有源鉗位中使用的TVS串聯。從IGBT導通開始，到IGBT發出關斷指令后的大約15-20us內，輔助IGBT Q0都處于打開狀態，將這個額外的TVS短接，以降低有源鉗位的門檻值，確保獲得高效的有源鉗位（在IGBT關斷過程中額外的TVS不工作）。在經過該15-20us的延遲時間后，輔助IGBT Q0關斷，這個加裝的TVS被激活，驅動器的有源鉗位的門檻值被提高，這樣可以允許直流母線電壓在IGBT關斷期間上升到更高的值。這意味著，緊急停機后變換器系統的輸出電感會消磁，但無需擔心不可避免的直流母線電壓短時升高所造成的影響。 

軟關斷

AAC和DA2C都適合具有高換流雜散電感的應用，這些應用要求控制IGBT關斷時的di/dt，確保IGBT能夠在反向偏置安全工作區(RBSOA)內工作。但對于有些應用，例如具有低換流雜散電感和IGBT關斷過沖處于RBSOA內的應用，更為簡單的選項是軟關斷(SSD)，因為它具有不需要TVS二極管執行有源鉗位的優勢。軟關斷(SSD)會在檢測到短路后激活。它保護半導體免遭損壞的實現方式是，通過限制短路持續時間和電流斜率，從而使瞬時VCE始終低于VCES（半導體的阻斷電壓能力）。圖4所示為SSD功能的工作原理。 

圖4

VCE退飽和在P1時間（綠線）內可見，由于采用軌到軌輸出技術，VGE（門極-發射極電壓，粉色線）始終非常穩定。經過P1（約5 µs）后，VGE在特定時間(tFSSD)內被限定到較低值。在tFSSD期間，IC（短路電流）被限制，最初會出現較小的VCE過壓。在P3期間，半導體的門極進一步放電。在放電過程即將完成時，門極會連接到COM，VGE迅速下降到關斷負電壓，剩余的門極電荷被移除，短路電流被切斷，然后再次出現較小的VCE過壓。整個短路檢測和安全關斷時間不到10 µs。Power Integrations通過新版SCALE™-2技術SCALE™-2+做到了這一點，該技術可實現AAC/DA2C或SSD功能。

集成 

Power Integrations的SCALE™-2芯片組是本文所述的所有IGBT保護機制的核心所在，該芯片組可在驅動和控制IGBT模塊以及監控其性能的同時實現這些功能。該芯片組可省去大量的其他解決方案需要用來實現這些功能的無源和有源元件。采用這種芯片組，驅動器不僅能提供更多的功能，而且還能提高可靠性并減小尺寸。

作者：Michael Hornkamp，Power Integrations大功率產品區域營銷與系統工程高級總監