二代大功率IGBT短路保护和有源钳位电路设计

刘革菊

（国营大众机械厂第一研究所，山西太原 030024）

0 引言

IGBT模块耐压高、电流大、饱和压降低、工作频率高，是大功率逆变器、电源等电力电子装置的首选功率器件。但IGBT抗过载能力不高，设计发挥IGBT性能、高可靠性的IGBT驱动电路，是设计者必须考虑的问题。本文从应用角度，分析了IGBT的特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模块2SC0435T为核心部件，设计了大功率IGBT的短路保护和有源钳位电路，试验验证该驱动器具有良好的驱动及保护能力。

1 IGBT的特性分析

1.1 IGBT损坏原因分析

IGBT模块在使用过程中损坏的主要原因有:VCE过压、VGE过压、过高的 dv/dt、过高的静电（ESD）、过流、短路、过高的di/dt、过高的结温等，IGBT驱动电路能保护的项目有:VCE过压、VGE过压、过高的 dv/dt、短路、过高的 di/dt。

1.2 IGBT的外特性

图1是IGBT的外特性图，通常IGBT的datasheet中只给出额定电流的2倍曲线的外特性（左下角），电流再大的部分属于定性不定量的示意图。

图1 IGBT的外特性图（以英飞凌的FF450R12ME4为例）

从图1可以看出IGBT的特性:

（1）IGBT在某门极电压下，电流Ic被限制在一定高度，Ic最大值约为IGBT额定电流的4倍。

（2）门极电压可以强烈地影响IGBT短路电流的数值。

（3）IGBT的电流在1倍至3倍之间变化，Vcesat的变化非常微弱，只有几伏的差别。

（4）IGBT退饱和后，Vcesat变化显著。

（5）IGBT短路时，进入线性区。在线性区，门极电压与短路电流呈线性关系。

1.3 IGBT短路与过流分析

1.3.1 IGBT短路分析

IGBT短路时的数学表达式如下，这是一个线性方程。

它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压、回路中的电感量及整个过程持续的时间有关系。绝大部分的短路，母线电压都是在额定点的，影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。因此依据短路回路中的电感量，可将短路分为一类短路和二类短路。

发生一类短路时，回路中的电感量很小（100nH级），见图2。IGBT的电流会快速上升，当电流上升到4倍额定电流，IGBT发生退饱和现象，IGBT的电压会迅速上升至直流母线电压，芯片的损耗非常大。驱动器需在10us内把IGBT关断，称短路保护。

图2 一类短路波形图

发生二类短路时，由于回路的电感量稍大（uH级），电流爬升的速度慢（相比一类），IGBT的Vcesat下降至饱和压降，随着电流进一步加大，饱和压降轻微上升，之后存在两种情况:

●电流能到达“退饱和点”时，Vcesat迅速上升至直流母线电压，10μs内驱动器关断IGBT，IGBT得到保护;

●当电流爬升慢，IGBT不发生退饱和现象，IGBT处于过流状态。如果不及时关断，由于电流比正常值高很多，经过若干开关周期后，IGBT损耗会比较高，结温会迅速上升，从而导致IGBT失效。此时需检测IGBT电流变化率，对IGBT进行及时关断，称过流保护。

根据IGBT特性，IGBT电流变化率可通过Vcesat检测，但由于Vcesat在饱和区内变化微弱，容易导致驱动器误保护，所以，现在IGBT驱动保护电路只进行短路保护，过流保护由霍尔电流传感器完成。

1.3.2 IGBT短路保护电路策略

从IGBT短路波形图可知，当IGBT短路发生时，电流上升至IGBT的4倍额定电流，驱动保护电路要将这个电流关断，这时的电流值比逆变器正常电流高4倍以上，势必产生很高的电压尖峰。为了防止电压尖峰损坏IGBT，需要引入有源钳位电路。

因此，大功率IGBT短路保护电路的控制策略:

（1）短路保护电路;

（2）有源钳位电路。

1.3.3 大功率IGBT驱动电路的设计规范

大功率IGBT驱动电路的设计规范:

（1）采用隔离变压器;

（2）采用Vcesat饱和压降进行短路检测和管理，包括软关断动作，以及采用不同的门极电阻进行开通和关断。

由于大功率IGBT驱动电路复杂，本文以瑞士CONCEPT公司最新推出的第二代SCALE-2模块2SC0435T作为核心部件，设计驱动电路。与第一代SCALE-1模块2SD315A比较，2SC0435T改进了短路保护功能，增加了有源钳位功能。

2 大功率IGBT短路保护电路设计

2.1 SCALE模块的内部结构

SCALE模块内部主要由三个功能模块构成，即逻辑驱动转化接口LDI、电气隔离模块和智能栅极驱动IGD。

第一个功能模块是由辅助电源和信号输入两部分组成。其中信号输入部分主要将控制器的PWM信号进行整形放大，并根据需要进行控制，之后传递到信号变压器，同时检测从信号变压器返回的故障信号，将故障信号处理后发送到故障输出端;辅助电源的功能是将输入的直流电压经过单端反激式变换电路，转换成两路隔离电源供给输出驱动放大器使用。

第二个功能模块是电气隔离模块，由两个传递信号的脉冲变压器和传递功率的电源变压器组成。防止功率驱动电路中大电流、高电压对一次侧信号的干扰。

第三个功能模块是驱动信号输出模块，IGD主要对信号变压器的信号进行解调和放大，对IGBT的短路和过流进行检测，并进行故障存储和短路保护。

2.2 一代SCALE－1短路保护电路

图3所示为CONCEPT第一代SCALE-1的经典IGBT保护电路，工作原理是:

（1）当IGBT关断时，T1导通，电流源1被T1旁路，Ca的点位被钳在低位，比较器不翻转。

（2）当IGBT进入开通的过程中，T1截止，IGBT进入饱和导通，电流源1流过Rm，Dm及IGBT形成回路，比较器不翻转。

（3）当IGBT出现短路时，会退出饱和区，Vce快速上升至直流母线电压，Dm马上截止，电流源1则向Ca充电，Ca的电位线性上升，到达门槛时比较器翻转。

图3 基于2SD315的短路保护电路

参数设定:

（1）比较器的反向输入端为参考电压值，Vth=150 μA*Rth;

（2）正常导通时，集电极电压为饱和电压值，一般为2V左右，加上2个1N4007的压降，以及恒流源1.4mA通过Rm的压降，可得出同相端电压值一般为3V左右;

（3）短路或过流时，1N4007反向截止，1.4mA的恒流源给Ca充电，由U=IT/C可推出响应时间。

响应时间与定时电容Ca、参考电压电阻Rth的关系见表1。

表1 SCALE-1的响应时间与Ca、Rth的关系

因为Vth设定为饱和电压值，电路在应用中易导致驱动器误保护［1］。

2.3 二代SCALE-2短路保护电路

图4为SCALE-2功能示意图，横轴电压参考点为IGBT的发射极（VE）。

与SCALE-1相比，SCALE-2去掉1个恒流源，去掉2个1N4007，工作原理是:

（1）当IGBT关断时，内部mosfet打开，Cx上电压被钳在COM，比较器不翻转;

（2）当IGBT进入导通的过程中，内部mosfet关掉，3点电位向2点充电，2点电位最终接近发射极电位;

（3）当IGBT短路时，其退出饱和区，3点电位为母线电压，2点被充电，经过定时后比较器翻转。

参数设定:

注:BAS316/416为低漏电流二极管Rvce为限流电阻，最大电流为0.6mA～1mA

（1）比较器反相输入端依然为参考电压值 ，Vth=150 μA*Rth;

（2）正常导通时，集电极还是饱和电压，大概2V左右，Dm反向截止，Cx无充电回路，同相端电压稳定;

（3）短路时，集电极电位上升至母线电压，由于Rvce限流作用，15V电源作为负载源，使得同相端电位通过给Ca充电迅速提高，最终约等于10V左右，集电极的高压主要承受在Rvce上。

响应时间与定时电容Cx、参考电压电阻Rth的关系见表2。

表2 SCALE-2的响应时间与Ca、Rth的关系

与SCALE-1比，SCALE-2的快速性和可靠性得到提高。

图4 基于2SC0435T的短路保护

3 IGBT有源钳位电路设计

3.1 有源钳位电路的设计［4］

有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，因为IGBT关断时产生的电压尖峰太高或太陡，都会使IGBT受到威胁。

IGBT正常关断时也会产生电压尖峰，但数值不会太高，如果短路时关断IGBT，产生的电压尖峰则非常高，此时IGBT非常容易被打坏。所以有源钳位电路通常在故障状态下才会动作，正常时不工作。

当TVS被击穿时，电流IAAC会流进ASIC（专用集成电路）的AAC单元。该单元会根据IAAC的大小操纵下管mosfet。当该电流大于40mA时，下管mosfet开始被线性地关断，当电流大于500mA时，下管mosfet完全关闭。此时门极处于开路状态，Iz会向门极电容充电，使门极电压从米勒平台回到+15V，从而使关断电流变缓慢，达到电压钳位的效果。这个电路的特点是TVS的负载小，TVS的工作点接近额定点，钳位的准度高。

图5 基于2SC0435T的有源钳位电路

3.2 动态有源钳位电路

在一些应用中，例如太阳能逆变器，牵引变流器等，母线电压有时可能会高于有源钳位动作的电压点，有源钳位电路会进入连续动作状态，ASIC有很大风险，此时需应用动态有源钳位电路，见图6。

图6 基于2SC0435T的动态有源钳位电路

将有源钳位的动作门槛设置成动态的，在IGBT导通时，门槛降低为Vth2，在IGBT关断后，延迟一段时间，然后将有源钳位的动作门槛提高到Vth1。这样IGBT在导通状态和截止状态时，其有源钳位电路的动作门槛电压是有区别的，但并不影响有源钳位电路的本意，因为IGBT在关断瞬间，钳位门槛是在Vth2。如果母线电压升高，IGBT在关断态时，钳位电路的门槛又比较高，这样能较好地解决某些应用中很现实的问题。

4 结论

根据IGBT的特性及IGBT的短路特性，驱动器只能对其进行短路保护，过流保护功能由霍尔电流传感器完成。基于二代SCALE-2模块2SC0435T设计的IGBT驱动电路，解决了IGBT短路误保护和有源钳位问题，在工程应用中得到验证。

［1］周志敏，周纪海.IGBT和IPM及其应用电路［M］.北京:人民邮电出版社，2006.