如何保护功率器件？应用时该如何选择？

功率半导体器件通常指电流为数十至数千安,电压为数百伏以上。功率器件几乎用于所有的电子制造业,包括计算机领域的笔记本、PC、服务器、显示器以及各种外设;网络通信领域的手机、电话以及其它各种终端。

保护和正确选型功率器件（如IGBT、MOSFET、晶闸管、SiC/GaN器件等）对于提高系统可靠性、效率和寿命至关重要。以下是关键的保护措施和选型指南：

一、功率器件的主要保护措施

功率器件失效的主要原因包括过电压、过电流、过热、静电(ESD)和驱动不当。针对这些风险，主要保护策略如下：

过电压保护
- 吸收电路：在器件两端并联RC吸收电路、RCD吸收电路，抑制开关过程中的电压尖峰。
- TVS/压敏电阻：在电源输入或感性负载（如电机、变压器）附近添加瞬态电压抑制二极管或压敏电阻。
- 续流二极管：为感性负载并联续流二极管（如MOSFET体二极管或外部肖特基二极管），提供电流泄放路径。
- 降额设计：确保器件额定电压 > 实际最大电压 × 1.5倍（留足裕量）。
过电流保护
- 熔断器/保险丝：在主回路串联快熔型保险丝。
- 电流检测：
  - 采样电阻：在源极/发射极串联小阻值电阻，配合运放检测电流。
  - 霍尔传感器：非侵入式检测大电流。
- 驱动芯片保护：利用驱动IC的DESAT（退饱和）功能（IGBT）或限流电路（MOSFET），在过流时快速关断器件。
过热保护
- 温度传感器：在散热器或器件附近安装NTC热敏电阻或热电偶。
- 温控开关：温度超标时自动切断驱动信号。
- 降额使用：参考器件手册的"功率-温度降额曲线"，高温环境下降低输出功率。
驱动保护
- 隔离驱动：使用光耦或隔离芯片（如Si8234）实现高低压隔离，避免干扰。
- 负压关断：对IGBT/MOSFET施加负压关断（如-5V~-10V），防止误导通。
- 栅极电阻（Rg）：优化Rg值（通常10-100Ω），平衡开关速度与电压尖峰。
静电防护（ESD）
- 操作时佩戴防静电手环，使用防静电工作台。
- 存储和运输采用防静电包装。
冗余设计
- 关键系统可采用多器件并联，分摊电流压力（需确保均流）。

二、功率器件选型关键步骤

选型需综合考虑电气参数、热特性、系统需求及成本，遵循以下流程：

明确应用需求
- 电压等级：确定系统母线电压（如48V/400V/800V）及开关尖峰幅度。
- 电流要求：计算最大负载电流、峰值电流（如电机启动电流）。
- 开关频率：高频应用（如开关电源）优选MOSFET/SiC；工频场景可选晶闸管。
- 拓扑结构：Buck/Boost/PFC/逆变器等对器件特性要求不同。

关键参数选型	参数	选型原则
额定电压（Vds/Vces）	> 最大工作电压 × 1.5（工业级）；汽车级需 × 2倍裕量（应对瞬态电压）
额定电流（Id/Ic）	> 峰值电流 × 1.5，并结温升高时降额使用（参考手册热性能曲线）
导通电阻（Rds(on)）	越低越好（减少导通损耗），但需权衡成本（SiC/GaN Rds(on)更低，价格更高）
开关损耗（Eon/Eoff）	高频应用选择低开关损耗器件（如SiC MOSFET比IGBT更优）。
热阻（Rθjc/Rθja）	优先选择Rθjc低器件（如TO-247-4L比TO-247-3L热阻更低），确保散热可行。

特殊场景选型建议
- 高频应用（>100kHz）：
  - 优选SiC MOSFET或GaN HEMT（低开关损耗、高开关速度）。
  - 避免使用IGBT（拖尾电流导致高频损耗大）。
- 高压大电流（>1200V/50A）：
  - 首选IGBT或SiC MOSFET（如电动汽车主驱）。
- 低成本工频控制：
  - 晶闸管/三极管（如可控整流、调光灯）。
- 高可靠性要求：
  - 车规级器件（AEC-Q101认证）或工业级冗余设计。
散热设计匹配
- 计算功率损耗：导通损耗（I²·Rds(on)） + 开关损耗（Eon+Eoff per cycle · fsw）。
- 散热方案：
  - 自然冷却：功率<10W
  - 散热器+风扇：10W~200W
  - 液冷/热管：>200W（如新能源车、光伏逆变器）
- 界面材料：使用导热硅脂（热阻0.5-3℃·cm²/W）或高导热垫片（如Berquist）。
驱动能力匹配
- 确保驱动芯片输出电流足够驱动器件栅极电荷（Qg）。
  - 驱动电流公式：Igate = Qg / t_sw
  - 例：Qg=100nC，要求1μs开通，则需驱动电流>100mA。

三、应用注意事项

避免二次击穿：IGBT/晶闸管需在安全工作区（SOA）内使用，禁止同时承受高电压&大电流。
消除寄生振荡：
- 缩短驱动走线（<5cm），采用双绞线/屏蔽线。
- 栅极并联小电容（100pF~1nF）吸收高频噪声。
测试验证：
- 上电前用示波器检查驱动信号质量（无震荡、过冲）。
- 满载测试时红外热像仪监测器件温度。

示例场景：电动汽车OBC（车载充电机）选型

需求：输入220VAC→输出400VDC/6.6kW，效率>95%，开关频率100kHz。

选型：

PFC级：SiC MOSFET（如1200V/40mΩ，TO-247-4L封装），利用低Rds(on)和快恢复体二极管减少损耗。

隔离DC-DC：LLC拓扑选用耐压650V超结MOSFET。

保护：

输入级加入MOV防浪涌；

DESAT功能检测IGBT过流；

散热器温度超过85℃时降功率运行。

总结

保护核心：针对过压、过流、过热三重风险设计多层防护（吸收电路+电流检测+温控），并优化驱动电路可靠性。
选型核心："电压留裕量、电流看降额、损耗算平衡、散热定生死"。
最终方案需结合成本、效率和可靠性综合权衡，尤其在新能源、工控等高要求场景中，SiC/GaN器件正逐步替代传统硅基器件。