基于有源鉗位和動態負反饋相結合的IGBT過壓保護

馮慶勝,沈培富,戴淑軍

(1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028；2.大連天運電氣有限公司，遼寧 大連 116028)

0 引言

絕緣柵雙極性晶體管(又稱IGBT)既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的優點,又有驅動功率小、通態電壓低、耐壓高的優點,因此被廣泛應用在軌道牽引、交流傳動、變頻器、航空航天等領域.中國電力電子器件發展藍皮書(2016～2020年)指出，目前我國IGBT芯片和模塊已經實現了600、1 200、1 700、3 300、4 500、6 500 V IGBT產品的量產，另外書中還指出，未來10～15年在電力電子器件市場中，IGBT仍處于主導地位，并且向超大功率發展.IGBT應用廣泛且優點眾多，但是在實際應用中，IGBT卻有兩個致命的缺點，那就是其耐過流能力和耐過壓能力較差，如果在使用中不對其進行限制和保護，一旦電路中的電流和電壓超過IGBT允許的最大電流和電壓，輕則，設備跳閘，進入保護；重則，IGBT被嚴重擊穿，發生炸裂.因此，在IGBT應用中，需要對其進行保護，防止IGBT因過壓和過流發生意外.

IGBT驅動電路為IGBT穩定工作提供所需功率和保證IGBT可靠開通與關斷的控制電壓以及對IGBT進行過壓和過流的保護[1-2]，進而保證IGBT能夠可靠、安全、穩定的工作.在IGBT驅動電路中，對IGBT的保護是設計中的重中之重.IGBT發生過壓和過流故障時，保護電路應能夠及時切斷門極控制電壓，避免IGBT因過壓和過流發生擊穿.IGBT的過流保護通常是通過檢測VCE的飽和壓降來判斷;對于IGBT過壓檢測，傳統的方法是采用無源緩沖網絡、有源鉗位[3- 4]、動態柵極控制.根據對IGBT實際的應用知道，驅動器是被動的收集IGBT電流變化率，但卻直接主動的反饋到柵極或者驅動器.根據這一特性，本文提出一種將有源鉗位和動態負反饋相結合的IGBT過壓保護技術.

1 IGBT過壓產生的機理

對于IGBT過壓，原則上將其分為“外部過壓”和“內部過壓”.圖1示出了兩種過壓的機理.

Vk是外加的換流電壓，它瞬態電壓上升會超過IGBT的耐壓，造成IGBT外部過壓.外部過壓通常只在一些固定場合中會發生，不做詳細說明.內部過壓是由于電路中存在較大的雜散電感(通常為幾十到數百nH)，在IGBT關斷瞬間，集電極感應出大的di/dt，進而在雜散電感兩端感應出大的電動勢或開關過程中的內部震蕩引起的.

圖1 IGBT過壓產生機理

假設圖1中VS1突然關斷，此時，VS1集電極電流IK也會突然下降，雜散電感Lk兩端感應出電動勢Eδ：

(1)

式中，dik/dt為VS1的集-射極電流變化率.VS1的C-E間承受的電壓VCE：

VCE=VK+Eδ

(2)

由式(1)、(2)知，IGBT在關斷時，集-射極電流變化越大，IGBT承受的電壓就越高，IGBT就越容易因過壓而被擊穿.圖2為IGBT關斷時，典型的集-射極電壓波形.

圖2 IGBT關斷時，C-E間電壓波形

2 IGBT傳統過壓抑制策略

IGBT過壓主要是端口過壓(集電極-發射極過壓、柵極-發射極過壓、直流母線過壓)，傳統的端口過壓抑制措施[5]主要有無源緩沖網絡，有源鉗位和動態柵極控制技術.

2.1 無源緩沖網絡過壓抑制

無源緩沖網絡(緩沖器)是由無源元件構成的.工作原理是利用一個電容器來吸收換流回路中的電感LK存儲的能量，從而避免感應能量E導致的過電壓.圖3是采用不同方式所組成的無源緩沖網絡.

以上學者做的實證研究表明，母語在二語習得的作用主要以正遷移為主；而有的學者認為以負遷移為主，并作了以下的一些研究。

無源緩沖網絡構成的過壓保護電路，在兩次沖放電過程中，前一次的吸收的能量必須要被消耗掉，這樣才能保證第二次充電過程的效果.簡單的緩沖器是通過電阻把能量轉換成熱能，或者利用直流母線電容器來對母線電壓進行緩沖均衡.采用無源緩沖網絡對過電壓的限制值通常會受到IGBT的工作點的影響，它需要按照“最壞情況” 去設計，因此對器件的要求比較高.

圖3 無源緩沖網絡方式

2.2 有源鉗位過壓抑制

有源鉗位是將IGBT的集電極通過一個穩壓元件直接反饋到柵極，其實質為采用負反饋方法，對IGBT集電極電位進行壓制，使之收斂于某一給定值.圖4示出了帶有有源鉗位過壓抑制的IGBT保護電路.

圖4 帶有有源鉗位的IGBT保護電路

如圖4，有源鉗位的工作原理是，當IGBT的集電極電壓過高時，穩壓元件Z就會被擊穿，電流從集電極流入柵極，柵極電位被提高，進而減小關斷電流變化率，使尖峰電壓變小.圖5給出了有源鉗位電路[6]的演變過程.

圖5 有源鉗位器的演變過程

演變電路取決于穩壓元件的平均功耗.原則上換流電壓(直流母線電壓)和鉗位電壓的差距越大，鉗位電路中元件的功耗就越小.

有源鉗位技術解決了被限制的開關電壓受換流器的工作點的影響.但是，在IGBT關斷瞬間，IGBT驅動器的最后一級功率推動級的三極管的下管是導通的，且這個支路阻抗較低，因此穩壓元件的大部分電流被這個三極管給旁路，只有少部分電流會流入門極；穩壓元件電流增大會導致其擊穿電壓持續上升，進而影響到鉗位效果.另外，在有源鉗位中，穩壓管的功耗非常大，因此需要選取封裝較大的穩壓管，這就會導致電路誤差偏大，穩壓管結電容過高.

2.3 動態柵極控制過壓抑制

動態柵極控制是通過改變IGBT關斷時的柵極電阻來抑制過壓的[7-8]，其實質是直接影響控制IGBT的電流和電壓變化率以及感應產生的過電壓.例如落木源SKHI23驅動器和SKYPER52驅動器就是在IGBT出現過電流和短路時，利用較大的柵極電阻來進行緩慢關斷，防止過電壓的.圖6給出了IGBT過壓時采用動態柵極控制，進行緩慢關斷的兩種方式簡化示意圖.

(a)增大柵極電阻RGoff

(b)電流源控制

動態柵極控制對于一些復雜的驅動器，在換流器正常運行期間，柵極串聯電阻按照時間被切換連接，可以使開關時間、開關損耗和開關過電壓達到最佳效果.然而柵極串聯電阻過大時，會使得IGBT的開通與關斷時間增加，開關損耗增加；電阻過小時，會導致di/dt增大，不僅引發IGBT誤導通，還會使集電極產生尖峰電壓，嚴重的會在G、E間發生震蕩，進而損壞IGBT.

3 有源鉗位和動態負反饋相結合過壓抑制策

3.1 IGBT數學建模

IGBT關斷瞬間會在集-射極產生較高的尖峰電壓，因此，IGBT過壓抑制通常是發生在IGBT關斷的瞬間.圖7是IGBT在關斷時的等效數學模型[9].

圖7 IGBT等效的數學模型

(3)

式(3)中：

分析IGBT的小信號模型和傳遞函數，便于利用自動控制原理的方法分析整個驅動保護電路的穩定性.

3.2 IGBT過壓抑制

IGBT驅動器是被動的收集IGBT電流和電壓變化率，直接主動的反饋到柵極，或者反饋到驅動器的.其中，di/dt的信息感性反饋到發射極[11]，dv/dt的信息容性耦合到集電極.圖8展示了利用自動控制理論構建的di/dt和dv/dt的直接動態反饋.

圖8 di/dt和dv/dt的直接動態反饋

根據圖8知，di/dt和dv/dt都是負反饋，其中di/dt是將反饋在發射極的感性信息主動的通過負反饋反饋給門極；而dv/dt則是將耦合在集電極的容性信息負反饋給門極.因此，無論是di/dt引起的過壓還是dv/dt引起的過流，驅動器都能夠及時的對IGBT進行調節，避免IGBT發生過壓和過流，損壞IGBT.

有源鉗位實質也是利用了自動控制理論中的負反饋方法，對集電極電位進行壓制，使之收斂于某一給定值.因此，有源鉗位和動態負反饋結合過壓保護電路其本質就是利用自動控制原理的負反饋網絡對柵極進行調節，使之工作在最佳狀態.圖9是有源鉗位和動態負反饋相結合的IGBT過壓保護電路原理圖.

圖9 有源鉗位和動態負反饋相結合的過電壓保護電路

圖9中，保護電路將有源鉗位和動態負反饋相結合，主動鉗位和dv/dt負反饋交錯運行，即它們不但直接對柵極而且也對驅動放大器進行控制.通過對參數DZE、DZG、CZE和CZG的設計，參數可以隨動態特性進行優化設置.di/dt的負反饋通過一個小電感(nH數量級)連接在發射端來實現，它同DZR一起確定了門限參數.

4 測試對比分析

為了測試有源鉗位和動態負反饋相結合的過壓保護電路效果，選擇英飛凌的IRG4PH50U型號的IGBT進行測試對比分析，該型號IGBT集-射極最大電壓VCE=1 200 V，集電極電流IC=45 A(Tj=25℃)，飽和壓降VCE(sat)=3.2 V，門檻電壓VG(th)=3～6 V，門極驅動電壓為VG=±15V，測試的直流電壓Vd=800 V.

圖10(a)為IGBT門極驅動電壓波形，從圖中看出，IGBT在12.5 us時關斷.對比圖10(b)～(f)，從(b)圖可以看出，當IGBT關斷時，集-射極的電壓有明顯的震蕩且尖峰電壓高達1 732 V，已大大超過IGBT自身所能承受的最大電壓，若不對其進行處理，IGBT將會因過壓而被擊穿，進而造成IGBT的永久性損壞.(c)圖是帶有RCD緩沖網絡的尖峰電壓波形，從圖中可以看出，RCD緩沖網絡不僅對尖峰進行了抑制，而且也緩解了電壓的震蕩，但是由于無源緩沖網絡易受到IGBT工作點的影響，因此，無源緩沖網絡雖然抑制了尖峰電壓，卻對無源器件的要求非常高.(d)圖是采用有源鉗位對尖峰電壓進行抑制，從圖中可以看出，雖然有源鉗位可以將尖峰電壓鉗位在穩壓值，不會使IGBT過壓，但是，由于鉗位電流被前級大部分分走，因此，集-射極間電壓變化率依然很大且有明顯的震蕩.圖(e)是通過控制柵極電阻來抑制尖峰電壓的，從波形上可以看出，改變柵極電阻確實可以抑制尖峰電壓，但是柵極電阻又影響著驅動電壓、功率損耗等，不能大幅度改變，因此通過柵極電阻來抑制尖峰電壓，雖然有效果，卻不是很明顯.圖(f)是利用有源鉗位和動態負反饋相結合來抑制過電壓的， 從仿真出的集-射極電壓波形可以看出，采用這種過壓保護電路，不僅能有效的抑制尖峰電壓，而且還能消除因電路電感和IGBT集射間電容引起的LC震蕩.

(a)柵極電壓

(b)未采取保護時的C-E間電壓

(c)帶RCD緩沖網絡的C-E間電壓

(d)帶有源鉗位的C-E間電壓

(e)動態柵極控制的C-E間電壓

(f)有源鉗位和動態負反饋相結合的C-E間電壓

5 結論

IGBT過壓保護是實現IGBT可靠、安全運行的保障.本文分析了IGBT過壓產生的機理，對傳統的IGBT過壓保護方法所存在的不足也進行了研究，并對其進行了測試分析.根據IGBT驅動器是被動收集IGBT電流和電壓變化率，直接主動的反饋到柵極，或者反饋到驅動器的，且di/dt的信息感性反饋到發射極，dv/dt的信息容性耦合到集電極這一原理，對有源鉗位和動態負反饋相結合的過壓保護電路進行了重點分析.通過對比圖10(b)～(e)測試波形可以得出：

(1)基于有源鉗位和動態負反饋的過壓保護電路比傳統的過壓保護電路對IGBT關斷時的尖峰電壓有更強的抑制效果；

(2)利用有源鉗位和動態負反饋能實時的對柵極驅動電壓進行調節，使IGBT工作在最佳狀態；

(3)應用該組合保護電路能夠有效抑制IGBT關斷集-射極間電壓的震蕩.

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