由于 IGBT 工作在高频、高电压、大电流条件下，较易损坏；且受电网波动、雷击等影响，其所承受应力更大，故 IGBT 的可靠性直接关系到变频电源的可靠性。选择 IGBT 时除需降额考虑外，其保护设计也是变频电源设计的重要环节。电路设计时应针对影响 IGBT 可靠性的因素，有的放矢地采取保护措施。

1. IGBT 栅极的保护

IGBT 栅极—发射极驱动电压 U_GE 的保证值为 ±20 V，在栅极与发射极间加超值电压可能损坏 IGBT，故驱动电路中应设置栅压限幅电路。此外，若栅极与发射极间开路而在集电极—发射极间加电压，随集电极电位变化，栅极—集电极、栅极—发射极间寄生电容的存在会使栅极电位升高、集电极—发射极有电流流过；此时若集电极、发射极处于高压状态，可能使 IGBT 发热甚至损坏。设备运输或振动中栅极回路断开时若给主电路加电压，IGBT 就可能损坏。为防止此类情况，应在栅极与发射极间并接一只几十 kΩ 电阻，且此电阻尽量靠近栅极与发射极，如图3-9 所示。

图3-9 栅极保护电路

IGBT 是功率 MOSFET 与 PNP 双极晶体管的复合体、栅极为 MOS 结构，与其他 MOS 结构器件一样对静电电压十分敏感。装配焊接时须注意：1）用手接触 IGBT 前应先放掉人体静电，并尽量不接触模块驱动端子，必须接触时要确保所带静电已全部放掉；2）焊接作业时焊机须可靠接地以防静电损坏 IGBT。

2. 集电极与发射极间的过压保护

集-射极间过电压主要有两种：施加的直流电压过高，以及集-射极上浪涌电压过高。

1）直流过电压保护。直流过压由输入交流电源或 IGBT 前一级输入异常引起，解决方法是选取 IGBT 时降额设计，并在检测出过压时分断 IGBT 输入以保证安全。

2）浪涌电压的保护。因电路分布电感存在且 IGBT 开关速度较高，当 IGBT 关断及与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，会产生很大的浪涌电压 L·di/dt，威胁 IGBT 安全。IGBT 浪涌电压波形如图3-10 所示，其中 u_ce 为集-射极电压波形、i_c 为集电极电流、U_d 为输入直流电压、U_CESp=U_d+L·di_c/dt 为浪涌电压峰值。

图3-10 IGBT 的浪涌电压波形

若 U_CESp 超出 IGBT 集-射极耐压值 U_CES，就可能损坏 IGBT。解决措施主要有：a）选取 IGBT 时考虑设计裕量；b）电路设计时调整驱动电路 R_g 使 di/dt 尽可能小；c）尽量将电解电容靠近 IGBT 安装以减小分布电感；d）按情况加装缓冲保护电路旁路高频浪涌电压。

缓冲保护电路对 IGBT 安全工作很重要，其类型与特点如下：

1）C 缓冲电路。如图3-11(a) 所示，采用薄膜电容并靠近 IGBT 安装，电路简单，缺点是由分布电感与缓冲电容构成 LC 谐振电路、易产生电压振荡，且 IGBT 开通时集电极电流较大。

2）RC 缓冲电路。如图3-11(b) 所示，适合斩波电路；使用大容量 IGBT 时必须增大缓冲电阻，否则开通时集电极电流过大、限制 IGBT 功能。

图3-11 缓冲保护电路

3）RCD 缓冲电路。如图3-11(c) 所示，与 RC 相比增加了缓冲二极管从而使缓冲电阻增大，避免了开通时 IGBT 功能受阻。该电路缓冲电阻产生的损耗为
　　(3-1)
式中，L 为主电路分布电感，I 为 IGBT 关断时的集电极电流，f 为开关频率，C 为缓冲电容，U_d 为直流电压值。

4）放电阻止型缓冲电路。如图3-11(d) 所示，与 RCD 相比损耗小、适合高频开关，其缓冲电阻产生的损耗为
　　(3-2)

设计时应根据实际情况选用适当缓冲电路抑制关断浪涌电压，装配时尽量降低主电路与缓冲电路的分布电感，接线越短越粗越好。

3. IGBT 的关断缓冲吸收电路

关断 IGBT 时集电极电流下降率较高，尤其在短路故障情况下，如不采取软关断措施，临界电流下降率可达数 kA/μs。极高的电流下降率会在主电路分布电感上感应出较高过电压，导致 IGBT 关断时电流电压运行轨迹超出安全工作区而损坏。故从关断角度希望主电路电感与电流下降率越小越好；但对开通而言，集电极电路电感有利于抑制续流二极管反向恢复电流与电容器充放电峰值电流，减小开通损耗、承受较高开通电流上升率。一般情况下 IGBT 开关电路集电极不需串联电感，开通损耗可通过改善栅极驱动条件控制。

为有效抑制关断过电压并减小关断损耗，通常给 IGBT 主电路设置关断缓冲吸收电路，分充放电型与放电阻止型两类，充放电型又有 RC 吸收与 RCD 吸收两种，如图3-12 所示。

图3-12 充电型 IGBT 缓冲吸收电路

图3-12(a) 为 RC 充放电型，因电容 C 的充电电流在电阻 R 上产生压降，会造成过冲电压；图3-12(b) 为 RCD 充放电型，因采用二极管旁路了电阻上的充电电流从而克服过冲电压。图3-13 为三种放电阻止型吸收电路，其中吸收电容 C_s 的放电电压为电源电压，每次关断前 C_s 仅将上次关断电压的过冲部分能量回馈到电源，减小吸收电路功耗；因电容电压在 IGBT 关断时从电源电压开始上升，其过电压吸收能力不如 RCD 充放电型。从吸收过电压能力看放电阻止型稍差，但能量损耗较小。

图3-13 三种放电阻止型吸收电路

对缓冲吸收电路的要求：1)尽量减小主电路布线电感；2)吸收电容应采用低感吸收电容，引线尽量短、最好直接接在 IGBT 端子上；3)吸收二极管应选快开通与软恢复二极管，以免产生开通过电压及反向恢复引起较大振荡过电压。