大功率IGBT模块软关断短路保护策略

姚文海，程善美，孙得金

（1.华中科技大学自动化学院，湖北武汉430074；2.武汉征原电气有限公司，湖北武汉430012）

1 引言

随着电力电子技术的发展，大功率IGBT模块越来越广泛地运用于电力电子设备中。IGBT 的可靠运行是电力电子系统正常工作的关键。IGBT 短路时电流大，功耗大，如果不能迅速采取保护措施IGBT 可能会被热击穿。

由于连接IGBT 模块的母线存在杂散电感，如果IGBT 关断速度过快，会产生较大的关断尖峰电压，该尖峰电压会损坏IGBT 模块。对于大功率的IGBT 模块，实际使用时较少采用缓冲电路，一般采用TVS 钳位电路限制IGBT 关断时的电压尖峰。

本文结合IGBT 的工作特性和驱动器的结构，提出一种基于改变门极电压和电阻的软关断策略，当驱动器检测到短路后立即缓慢降低IGBT 门极电压，从而限制IGBT 短路时间、短路电流、短路功耗和关断产生的尖峰电压，有效保护IGBT模块。

2 IGBT短路分析

IGBT主要有两类短路情况，一类是硬短路；另一类是软短路。

硬短路主要是指IGBT 在回路中负载极小，IGBT一开通就短路的情况［1］，一般系统中发生的硬短路主要是IGBT上下桥臂直通。软短路主要指IGBT工作在小负载回路中或正常开通后发生短路的情况。

IGBT 发生硬短路后的工作状态如图1a 所示。IGBT开通后，电流以极大的速率上升，此时限制IGBT电流上升率的只有IGBT的开通速度，大功率IGBT模块的硬短路电流上升率有数千A/μs。IGBT集电极和发射极电压VCE小幅度下降后会上升并短暂地超过母线电压，之后稳定在母线电压值。门极电压在电流上升到最大时会超过驱动电压，之后稳定在驱动电压值。

IGBT 发生软短路后的工作状态如图1b 所示，IGBT 开始工作在饱和区，IGBT 电流不断升高的同时VCE也会随着升高，只是幅度非常小不易观察到。当电流上升到一定值后，IGBT 开始进入退饱和区，VCE开始以较慢的速度上升，经过一小段时间后VCE上升速率明显加大，VCE迅速上升并超过母线电压，之后下降到母线电压值并保持不变。

图1 IGBT短路特性Fig.1 IGBT short-circuit characteristic

IGBT 发生硬短路和软短路时的电流值是额定电流的数倍乃至十几倍，且与门极电压VGE、集射极电压VCE存在正相关的关系。驱动器检测到短路后会执行保护动作，如果直接关断IGBT 会产生非常高的关断尖峰电压，如图1 所示。如果不采取保护措施，IGBT将会被击穿。

3 软关断实现原理

IGBT 的简化模型如图2 所示，IGBT 内部存在3 个寄生电容CGE，CCE，CCG。IGBT 开通和关断的过程就是对门极电容CGE充电和放电的过程。驱动器通过调节对门极电容CGE充电和放电的速度就可以控制IGBT开通和关断的速度。

图2 IGBT的简化模型Fig.2 Simplified model of IGBT

IGBT 发生短路时，IGBT 工作在线性区，流过的最大电流是额定值的数倍乃至十几倍，且与门极电压VGE有较大关系［2］，因此限制住IGBT 的门极电压就能限制IGBT 的短路电流。IGBT 承受短路的时间也与门极电压VGE存在一定的关系。门极电压越高，IGBT短路电流越大，如果母线电压值一定，则单位时间内门极电压越高的IGBT 产生的功耗就越大，IGBT 能够承受的短路时间就越短。图3为IGBT生产厂家给出的IGBT能承受的最大短路时间与VGE的一般关系［3］。

图3 IGBT承受短路时间与门极电压关系图Fig.3 The relation between short-circuit time allowed and VGE

当驱动器检测到IGBT发生短路后不能立即关断IGBT，因为如果IGBT 发生软短路，此时电流还处在上升阶段，直接关断IGBT 会使门极电压迅速下降，为了满足电流要求，IGBT的集射极电压VCE会被迫迅速上升并超过母线电压，且极有可能会超过IGBT 耐压值而导致IGBT 损坏。因此，如果使用硬关断策略保护IGBT，驱动器检测到短路后需要等待一定时间，直到IGBT 退饱和使得VCE稳定在母线电压值后方可关断IGBT。

IGBT关断时，因为母线上存在杂散电感，IGBT电流减小会在杂散电感上产生一个感应电压：

此电压与母线电压叠加在一起加在IGBT模块上。如果电流下降过快，产生的关断尖峰电压就非常高，若不采取保护措施，其足以击穿IGBT模块。

为了保护处于短路状态的IGBT模块，本文提出了慢降栅极电压的软关断策略。其核心思想是缓慢降低IGBT短路时的门极电压。在检测到IGBT 发生短路后，缓慢地减小IGBT 的门极电压VGE，则IGBT集射极电压VCE被迫上升的速率会比直接关断IGBT的小得多且能够保证VCE只会小幅度超过母线电压，最后稳定在母线电压值。随着门极电压的缓慢减小，IGBT短路电流也会缓慢地减小，杂散电感上感应的电压会非常小。如果能将门极电压缓慢地减小到IGBT开通阈值电压之下，IGBT的电流会缓慢减小到0，IGBT完全关断。

当驱动器检测到IGBT 发生短路后，可以立即执行软关断动作，缓慢减小IGBT 门极电压而不需要等待VCE稳定在母线电压。软关断持续足够长的时间，在软关断过程中IGBT 电流完全下降到0，即IGBT 完全关断。这样既能保证IGBT的短路时间不超过允许范围，又能减小IGBT短路电流和短路功耗，并且大大减小关断尖峰电压。

大功率IGBT 模块驱动器一般选择+15 V/-15 V作为开通/关断电压，通过调节门极电阻RG控制IGBT 模块的开通和关断速度。图4a 为IGBT 正常开通状态。驱动器检测到IGBT 发生短路后，如果能将驱动器的G极和E极同时接地，即此时驱动器提供的驱动电压为0 V，并使用一个合适的电阻（十几Ω至几十Ω）使IGBT 门极电容CGE通过Rgst放电，如图4b 所示，就能使门极电压缓慢下降，电流也会随着门极电压的下降而缓慢下降。软关断过程结束后可以正常关断IGBT，如图4c所示。

图4 软关断策略实现原理Fig.4 The schematic of soft-turn-off

4 实验结果

针对4500V/900A等级IGBT模块CM900HC-90H进行短路实验。硬短路实验条件为母线电压UDC=2 700 V，使用铜排短接上桥臂IGBT 模块模拟硬短路。软短路实验条件为母线电压UDC=2 700 V，使用小电感Ll=4 μH与上桥臂IGBT模块并联。两类短路实验中上桥臂IGBT 模块均接-15 V恒关断。

图5 为使用硬关断策略保护IGBT 模块的实验波形。图5a 为硬短路实验结果，图5b 为软短路实验结果。如图5 所示，使用硬关断策略驱动器检测到IGBT发生短路后都会等待一段合适的时间，当VCE基本稳定在母线电压后才关断IGBT。实验中使用8 个1.5KE400A 型TVS 组成TVS 钳位电路钳位关断尖峰电压，保护IGBT。图5a 中VCE最大值达到3 760 V，图5b 中VCE最大值达到3 800 V。

图5 硬关断实验波形Fig.5 Waveforms of hard turn-off experiment

图6 为使用软关断策略保护IGBT 的实验波形。图6a 为硬短路实验结果，图6b 为软短路实验结果。IGBT发生硬短路后驱动器通过di/dt检测方法检测到IGBT 硬短路状态，立即采用软关断策略缓慢降低门极电压，实现方法如图4 所示。当驱动器执行软关断保护动作后，VCE上升速率会有小幅度的增加，但是完全可以接受。VCE超过母线电压的幅度非常小，只有172 V。电流下降在杂散电感上产生的电压基本为0。IGBT 发生软短路后驱动器也立即采取软关断措施，情况与硬短路时相似。

观察波形也可发现，采用软关断策略，驱动器在检测短路后立即采取保护措施，不仅降低门极电压，IGBT 短路电流也大大减小。采用硬关断策略时IGBT硬短路状态最大电流11 280 A，软短路状态最大电流11 120 A。而采用软关断策略时IGBT 硬短路状态最大电流6 083 A，软短路状态最大电流6 683 A。

图6 软关断实验波形Fig.6 Waveforms of soft turn-off experiment

通过实验对比可知，使用软关断策略保护IGBT，驱动器检测到短路状态时可以立即采取措施，不需要经过额外的等待时间；采用软关断策略，可以大大降低关断尖峰电压，不需要额外的TVS 钳位电路；大大减小IGBT 在短路工作时的功耗，避免IGBT过热损坏；配合驱动器快速检测IGBT 短路的功能，大大减小IGBT 短路时的电流。因此，软关断策略是一种理想的IGBT 短路保护策略。

5 结论

结合IGBT 简化模型，提出了使用软关断保护IGBT短路的策略。该策略可以让驱动器一旦检测到短路状态就立即实施保护动作，限制IGBT短路电流和短路功耗，并减小关断尖峰电压，完全不需要额外的TVS 钳位电路进行钳位保护。通过调整软关断电阻的大小可以调节软关断速度的快慢，使IGBT 工作于最佳状态。该策略在大功率IGBT 应用中非常合适，可以安全可靠地保护IGBT 模块，保证电力电子设备的正常运行。

［1］Lutz J，Basler T.Short-circuit Ruggedness of High-voltage IGBTs［C］// 28th International Conference on Microelectronics，Serbia，2012：243-250.

［2］Hefner A R.An Experimentally Verified IGBT Model Implemented in the Saber Simulator［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1994，9（5）：532-542.

［3］Michael Hornkamp.IGBT Protection with Concept［R］.Switzerland：Concept，2009.