基于栅极控制的IGBT关断过电压研究

尹 新， 陈 功， 沈 征， 帅智康， 唐开毅

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

基于栅极控制的IGBT关断过电压研究

尹 新， 陈 功， 沈 征， 帅智康， 唐开毅

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082)

由于线路中杂散电感以及IGBT反并联二极管浪涌电压的影响，IGBT在关断过程中会产生过电压尖峰。通过对IGBT关断过程的分析，提出了一种新的IGBT过电压抑制方法，并通过pspice仿真以及实验验证了新的过电压抑制方法的正确性和优势。

杂散电感；IGBT；过电压

由于IGBT具有MOSFET管的驱动电路简单、驱动功率小、工作频率较高的优点，同时又具有BJT的通态压降较小、功率损耗较小的优势，并随着IGBT技术的成熟和发展，IGBT作为大功率全控型器件在电力系统中的应用越来越广，例如交流电机、变流器、开关电源、牵引传动、轻型直流输电、风力发电的并网运行等。

IGBT的开关频率一般能达到几kHz以上，在如此高的开关频率下，IGBT的开通和关断时间极短。由于电路中的杂散电感以及IGBT反并联二极管浪涌电压的影响，会在IGBT关断过程中产生过电压尖峰。IGBT关断过电压不仅使IGBT的开关损耗增大，管壳温度升高，而且过电压可能使IGBT击穿烧坏。针对IGBT过电压，国内外学者已提出了很多解决办法[1-4]。通过优化IGBT内部结构及电路中元器件的布局，能明显减小电路中杂散电感，从而减小过电压尖峰，但是杂散电感无法完全消除。通过增加栅极电阻以及增加外围的吸收电路能够实现IGBT过电压抑制作用，但是同时增加了开关损耗以及降低了IGBT的开关频率。通过齐纳二极管的抑制电路，能较好地抑制过电压的产生，但是齐纳二极管进行过电压抑制时开关损耗较大，而且齐纳二极管的有限幅值限制了它在高压大电流中的应用。基于栅极控制的IGBT过电压抑制方法，通过短暂的导通IGBT来抑制过电压，栅极控制方法功耗较小，但是栅极控制方法通常含有较多的模拟电路，因而反应延迟时间较长，电路较为复杂，从而降低了IGBT电路运行的可靠性。

针对现有IGBT过电压抑制方法，本文通过对引起IGBT过电压的原因深入分析和研究，提出了一种新的栅极控制IGBT过电压控制方法，该方法对关断时间的影响极小，能及时有效地抑制IGBT过电压的产生，而且电路简单，体积小，容易集成到IGBT驱动中。

1 米勒电容和栅极电流

为了分析IGBT过电压产生的原理以及如何对过电压进行抑制，首先应分析IGBT动态关断过程。

以一个常见的IGBT关断电路为例说明IGBT的关断过程，图1所示为IGBT栅极等效电路，图中表示外加栅极电阻，表示内部栅极电阻，表示集电极-栅极电容，表示栅极-发射极电容，表示集电极-发射极电容，表示栅极驱动电压，表示栅极-发射极电压，表示集电极-发射极电压。图1中的也称作米勒电容，在IGBT的开通或者关断瞬态，米勒电容不是一个不变的常量，而是一个随着变化的变量，当升高时，米勒电容将会急剧下降。

图1 栅极等效电路

图1所示电路的IGBT的关断过程的电压电流波形如图2所示。从图2中可知，IGBT的关断过程可以分为4个阶段。第1阶段(0～1)为栅极侧电压开始下降到集电极电压开始上升为止，在0以前，驱动信号电压已经降到关断电压－15 V，由于电容放电，开始下降，在此期间，米勒电容几乎保持不变。第2阶段(1～2)为集射极电压开始上升，到其上升为静态电压为止，由于米勒电容随着的升高也急剧下降，因而放电电流将保持一个近似的恒定值，从而使维持在一个稳定的电压值，该电压称为米勒平台电压，由于米勒电容的作用，减缓了的减小，使IGBT关断减缓。当米勒电容容量大大减小后，IGBT集电极到栅极的反馈电流减小，又开始下降。第3阶段(2～3)为IGBT内部的MOS结构开始关断，从而集电极电流开始迅速降低，此时变化的集电极电流在寄生电感上产生电压，从而使IGBT集电极发射极承受过电压尖峰。第4阶段(3～4)为IGBT体区中的PNP结构的电导调制效应，载流子复合从而集电极电流缓慢减低，而门极电压继续降低，直到驱动器的关断电压为止。

图2 关断时IGBT栅极特性曲线

从图2可知，第2阶段，即米勒效应阶段，通过调节米勒电容可以调节IGBT关断时间。1时刻开始，开始上升，d/d 引起的感应电流通过米勒电容向栅射极电容充电，此阶段有：

从式(1)可知：

从式(3)和(4)可知，增加电容CGC可以抑制集电极电流的变化，从而减小寄生电感引起的过电压。

2 IGBT过电压抑制电路

2.1 电路结构

图3所示为提出的IGBT过电压抑制电路，它由过电压采样电路和动态过电压抑制电路构成。过电压采样电路由两个电阻和一个电压跟随器构成。动态过电压抑制电路由一个电容、一个小功率IGBT、一个互感器和一个电压比较器构成。两个电阻R1、R2串联用于检测集电极发射极的过电压。当检测的电压超过设定的参考电压时，比较器输出一个高电平通过互感器作用在Z2的栅极和发射极，导通Z2从而使电容C1并联在IGBT的集电极-栅极两端，通过米勒电容的调节抑制Z1上承受的过电压。互感器选用信号隔离变压器。为了防止导通时辅助电容对导通时间的影响，增加了二极管D1。

图3 IGBT过电压抑制电路拓扑结构

2.2 IGBT过电压抑制的工作原理

为了详细分析IGBT的工作情况，将IGBT的运行情况分为静态导通、静态关断、动态的IGBT开始承受过电压之前、动态关断时IGBT集电极-发射极开始承受过电压之后四种情况进行分析说明。

工作模式1：静态导通时，几乎全部电流从IGBT的集电极流到发射极，因此辅助电路不起作用。

工作模式2：当IGBT开始关断时，IGBT集电极发射极开始承受电压，当IGBT上承受的电压低于设定的过电压参考阀值时，IGBT的辅助电路仍然不起作用。

3 过电压抑制辅助电路参数设计

为了使辅助过电压抑制电路达到更加期望的过电压抑制效果，辅助电路元器件的参数设计可以进行一定优化。

比较器参考电压的设定值不宜太小，否则辅助电路会误动作，但是参考电压设定值太高，将达不到较好的过电压抑制效果。因此一般情况下：

为了尽量减小控制电路的延迟时间，电压跟随器以及电压比较器应选取高速的运放电路，而且参考电压不宜选择过高。因为过高的参考电压将提高了电压跟随器和电压比较器的电源电压值，通常电压跟随器和电压比较器的电源电压值越高，延迟时间越长。

辅助IGBT的额定电流在能达到通流要求的情况下应选择尽量小，因为即使出现过电压较大，辅助电容电压的变化产生的脉冲电流也比较小，而且辅助电路的反应时间应越短越好，而额定电流增大，导通时间将延长，而且相应的IGBT驱动功率要求将相应增加。但是辅助IGBT的耐压值应和主电路IGBT的相近，因为IGBT关断后其上承受的静态电压和主电路IGBT承受的静态电压相近。

4 仿真结果

为了论证提出的过电压电路的可行性和正确性，在pspice软件中进行了模拟仿真，如图4所示，选用1 700 V、1 600 A的IGBT模块进行仿真，该IGBT模块由4个CM400HA-34H并联组成。电感用600 A理想电流源替代，每个IGBT承受的静态电压为600 V，IGBT栅极信号的频率为1 kHz，缓冲电容取20 nF，IGBT的栅极导通电压选取+15 V，栅极关断电压取－15 V，栅极电阻取5 Ω，寄生电感取100 nH。

图4 提出的均压电路的实验设计图

图5 未添加过电压抑制的IGBT 和仿真波形

图6 添加过电压抑制电路后的IGBT 和仿真波形

5 实验结果

为了验证过电压抑制电路的有效性，采用英飞凌的FF300R17KE4进行双脉冲实验，实验中母线电压为200 V，电感为0.1 mH，脉冲宽度分别为40和10 μs，第二个脉冲导通时电流达到60 A，实验电路和仿真的拓扑结构一致。辅助电路的电压跟随器采用TI公司的THS3201，电压比较器采样TI公司的TLV3501，脉冲变压器采用PE-65612NL，驱动采用TI公司的UCC27537，辅助IGBT用英飞凌的MOS管5R950CE替代，设定的参考电压为3.2 V，采样电阻采用68和1 kΩ串联。

从图7和图8可以看出，当没有采用过电压抑制电路时，IGBT关断的的最大过电压达到100 V，当采用过电压抑制电路时，IGBT过电压降低到45 V，因此很好地实现了过电压的抑制。而且IGBT电压的上升沿没有减缓，因而不影响IGBT开关频率。

图7 未添加辅助电路的IGBT 和关断波形

图8 添加辅助电路的IGBT 和关断波形

6 结论

采用新的IGBT过电压抑制方法能有效的抑制IGBT过电压产生，而且辅助电路简单，所需元器件较小，不仅能有效防止IGBT过电压损坏，而且能降低IGBT的开关损耗，能够适用于各种场合的IGBT过电压抑制。

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[3]HAMAD M S,ABDELSALAM A K,WILLIAMS B W.Over-voltage protection of single phase grid connected current source inverters using a simplified passive network[C]//Proceedings of Renewable Power Generation(RPG 2011),IET Conference on.Edinburgh:IET,2011:1-5.

[4]LOBSIGER Y,KOLAR J W.Closed-loop IGBT gate drive featuring highly dynamic di/dt and dv/dt control[C]//Proceedings of Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2012 IEEE.Raleigh,NC:IEEE,2012:4754-4761.

Investigation of IGBT over-voltage suppression based on gate control

Since the effect of stray inductance and IGBT anti-parallel diode surge voltage, IGBT would produce over-voltage overshoot in shutdown process.A new IGBT over-voltage suppression method based on the analysis of IGBT turn-off process was proposed.Based on the pspice simulation and experimental result, this new over-voltage suppression method was verified accuracy and advantage.

stray inductance;IGBT;over-voltage

TM 714.2

A

1002-087 X(2016)03-0680-04

2015-08-29

国家自然科学基金资助项目(51277060)

尹新(1972—)，男，湖南省人，博士，副研究员，主要研究方向主要为电路测试与故障检测、智能信号处理。