IGBT绝缘栅双极型晶体管是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它结合功率MOSFET的工艺技术，将功率MOSFET和功率管GTR集成在同一个芯片中。该器件具有开关频率高、输入阻抗较大、热稳定性好、驱动电路简单、低饱和电压及大电流等特性，被作为功率器件广泛应用于工业控制、电力电子系统等领域（例如：伺服电机的调速、变频电源）。为使我们设计的系统能够更安全、更可靠的工作，对IGBT的保护显得尤为重要。

目前，在使用和设计IGBT的过程中，基本上都是采用粗放式的设计模式——所需余量较大，系统庞大，但仍无法抵抗来自外界的干扰和自身系统引起的各种失效问题。瞬雷电子公司利用在半导体领域的生产和设计优势，结合瞬态抑制二极管的特点，在研究IGBT失效机理的基础上，通过整合系统内外部来突破设计瓶颈。本文将突破传统的保护方式，探讨IGBT系统电路保护设计的解决方案。

IGBT失效场合：来自系统内部，如电力系统分布的杂散电感、电机感应电动势、负载突变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失效主要是由集电极和发射极的过压/过流和栅极的过压/过流引起。

IGBT失效机理：IGBT由于上述原因发生短路，将产生很大的瞬态电流——在关断时电流变化率di/dt过大。漏感及引线电感的存在，将导致IGBT 集电极过电压，而在器件内部产生擎住效应，使IGBT锁定失效。同时，较高的过电压会使IGBT击穿。IGBT由于上述原因进入放大区， 使管子开关损耗增大。

IGBT传统防失效机理：尽量减少主电路的布线电感量和电容量，以此来减小关断过电压；在集电极和发射极之间，放置续流二极管，并接RC电路和RCD电路等；在栅极，根据电路容量合理选择串接阻抗，并接稳压二极管防止栅极过电压。

IGBT失效防护

1. 集电极过电压、过电流防护，以IGBT变频调速电源主电路为例（图1）。

　　图1：传统保护模式。

在集电极和发射极之间并接RC滤波电路，可有效地抑制关断过电压和开关损耗。但在实际应用中，由于DC电源前端的浪涌突波会使集电极过电压，并使RC滤 波电路部分的抑制效果生效，IGBT通常都会被击穿或者短路。另外，在电机起动时，由于起动时的大电流，在主线路中分布的电感亦会造成较大程度的感应过电 压，使IGBT损坏。同时，电机励磁造成的感应电动势，对电路的破坏也相当地大——工程师们经常没有考虑到这一点。

针对上述情况，浪涌 突波部分可以用防雷电路进行防护（图2）。瞬雷电子开发的蓝宝宝浪涌抑制器（BPSS），在雷击方面既具有极大的过电流能力，又具有极低的残压。同时，针 对电机部分，参照ISO7637的相关标准，该产品完全可以使用。而使用其他器件则不能同时达到上述两种情况。具体问题有：压敏电阻在ISO7637的长 波（P5A）中容易失效，并且不宜长期使用；陶瓷放电管不能直接用于有源电路中，常因续流问题导致电路短路，并且抑制电压过高。

　　图2：新型防护模式。

2.栅极过电压、过电流防护

传统保护模式：防护方案防止栅极电荷积累及栅源电压出现尖峰损坏IGBT——可在G极和E极之间设置一些保护元件， 如下图的电阻RGE的作用，是使栅极积累电荷泄放（其阻值可取5kΩ）；两个反向串联的稳压二极管V1和V2，是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。另 外，还有实现控制电路部分与被驱动的IGBT之间的隔离设计，以及设计适合栅极的驱动脉冲电路等。然而即使这样，在实际使用的工业环境中，以上方案仍然具 有比较高的产品失效率——有时甚至会超出5%。相关的实验数据和研究表明：这和瞬态浪涌、静电及高频电子干扰有着紧密的关系，而稳压管在此的响应时间和耐 电流能力远远不足，从而导致IGBT过热而损坏。

新型保护模式：将传统的稳压管改为新型的瞬态抑制二极管（TVS）。一般栅极驱动电压约为15V，可以选型SMBJ15CA。该产品可以通过IEC61000-4-5浪涌测试10/700US 6kV。

TVS反应速度极快（达PS级），通流能力远超稳压二极管（可达上千安培），同时，TVS对静电具有非常好的抑制效果。该产品可以通过 IEC61000-4-2接触放电8kV和空气放电15kV的放电测试。

将传统电阻RG变更为正温度系数（PPTC）保险丝。它既具有电阻的效果，又对温度比较敏感。当内部电流增加时，其阻抗也在增加，从而对过流具有非常好的抑制效果。

　　图3：传统保护模式和新型保护模式电路对比。

随着LED技术的日趋成熟，LED照明的使用越来越广泛，例如手机的LED闪光，LED家用灯具，汽车的LED前灯和尾灯等等。但是如何有效的延长LED的使用寿命，也许你并不是特别清楚。我们今天的话题就围绕针对过度电性应力（EOS）的冲击，如何有效的保护LED的方案之间的区别来展开。

EOS是Electrical Over Stress的缩写，指所有的过度电性应力。EOS冲击的意思是电子元器件被施加的电流或者电压超过该元器件最大的设计规范要求时，该元器件便会发生性能减弱，甚至于直接损坏的现象。

LED器件很容易受到EOS的损伤，这种损坏有时能够直接击坏器件造成失效，而有时失效则可能在EOS发生一段时间后才发生。电源输出质量的不稳定，各种过电压过电流的噪音，以及热插拔应用使用中的突入电流现象等都是能够产生EOS失效的诸多因素，这种EOS现象都属于短时间的过负荷，在短时间内（一般在一秒钟内）LED受到尖峰电压或者尖峰电流的冲击，这种电压或者电流的能量超过了LED的设计额定值，从而损伤LED器件。

简单介绍了LED的EOS问题后，我们来看看解决方案。保护LED免受EOS损伤的防护方案基本都是将EOS产生的瞬态电压箝位在器件所能承受的范围内。理论上消除这种瞬态电压最好的防护器件是电容，电容能很好的将瞬态电压吸收。但是在实际应用中，由于电容的高温寿命和较大体积等因素，实在不是一种比较好的方案。

因此大多的工程师在解决该问题时往往偏向于使用TVS稳压管来进行保护，但是在选择TVS管的时候必须考虑到TVS管所能承受的最大功率，由于EOS冲击的瞬态能量的不确定性，想要完全承受所有的EOS冲击的瞬态能量就需要选择比较昂贵的大功率TVS管，这往往是产品工程师所不愿意的。那时如果因为成本问题选择相对较小功率的TVS管后，在实际的应用中如果有较大能量的EOS冲击，可能会减弱、甚至损坏TVS管的保护功能。如果TVS管损坏，那后续的EOS将直接对LED形成冲击，导致LED的受损。另外，TVS管的箝位电压的精度也会直接影响到EOS冲击对后续LED的作用，因为加在LED两端的电压增加都会立刻表现为流经LED的电流增大。

另外还有一种方案，就是使用TE公司的PolyZen系列元器件，该起降能够有效的减轻EOS侵扰，提高产品的可靠性。TE公司电路保护部的PolyZen产品是独立的表面贴装器件，它集成了一个可供选择齐纳电压 （Vz）的精密齐纳二极管，以及一个PolySwitch聚合物正温度系数 （PPTC） 器件，产品原理图如图1所示。PolyZen系列适用于空间狭小的薄型紧凑型环境，它使用了具有热保护功能的齐纳二极管，以帮助保护电子产品避免电压瞬变、反向偏置和错误的电源使用造成的失效。如图2，Polyzen产品的典型应用框图，在故障状态时，精密齐纳二极管能快速有效的钳位电压并分流故障电流，而PolySwitch PPTC组件则可以继而快速的关断过大的电流，从而帮助保护齐纳二极管和下游电子组件。

图1：Polyzen 产品原理图

图2： Polyzen 产品的典型应用

PolyZen产品的典型故障响应如图3所示，图例中选用的是一个集成了5.6V齐纳电压的PolyZen器件，在24V过压条件（Vin）下，系统有10A的故障电流（Iflt）通过，PolyZen器件中的精密齐纳二极管能够快速的将输出电压（Vout）钳位在5.6V附近，保护了负载电路，同时器件中的PPTC能够快速的动作截断电流，持续长久保护齐纳二极管与整个电路。

图3：Polyzen产品的典型故障响应

将PolyZende的产品用于LED的EOS保护电路中时，不仅能快速将EOS的瞬态电压箝位到安全电压以下，并且当EOS冲击的能量较大时，PolyZen器件内部的齐纳二极管会促使PPTC动作，保护齐纳二极管本身以及后续电路。而且在有些不能因为故障而缺失照明的LED照明系统中，PPTC更优于其他过流保护的器件，因为PPTC在保护状态下依然能使LED发光，但是又不损坏LED。而且集成在PolyZen器件内部的齐纳二极管的箝位电压精度非常高，能准确的将电压箝位在安全范围内。因此相对于TVS管的EOS保护方案，PolyZen器件具有更多的优势。

PolyZen系列元器件是具有纤薄外形的集成式过压和过流保护器件，具有强大的电路保护功能，以帮助保护敏感的电子产品，避免因为过压和过流失效而导致的代价昂贵的产品返修和质保问题。PolyZen系列产品为电路板设计人员提供了方便的过压过流保护器件，让他们不再需要花费大量的时间去集成并测试低效的分立器件及较昂贵的IC解决方案。

如今PolyZen系列产品已经有丰富的齐纳二极管与PPTC集成组合方便实际应用选择。其小尺寸，独立贴装，多功能保护已经成为过流过压保护应用中一种具备显着性能与价格优势的创新型解决方案，超越了使用熔断器、齐纳二极管和其它无源组件的分立式解决方案。