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。此时只能用电子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。

图1为GTR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I_b调整在准饱和区，如A点（U_ceg，I_cg）。

图1 GTR输出特性 图2 GTR过流保护原理图

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

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两端常并接续流二极管VD_F，使GTR关断时有负载电流I_L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。

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图3 GTR带电感性负载图 图4 GTR的关断、开通过程

图5为GTR关断吸收电路，它是在GTR集射极间并联电容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U_ce上升速度，使U_ce达最大值之前集电极电流I_c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。

图5 GTR的关断吸收电路

a)原理电路；b）原理曲线

图6a）是开通吸收电路，其中与GTR串联的电感L_S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L_S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R_S对L_S的旁路作用。

a）原理电路 b）原理曲线

图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L_S、R_S、VD组成开通吸收电路，R_S、VD、C_S组成关断吸收电路。

图7 GTR复合缓冲电路 图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dU_ce/dt。

3）用温度传感器检测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。