基于有源钳位和动态负反馈相结合的IGBT过压保护

冯庆胜,沈培富,戴淑军

(1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028；2.大连天运电气有限公司，辽宁 大连 116028)

0 引言

绝缘栅双极性晶体管(又称IGBT)既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点,又有驱动功率小、通态电压低、耐压高的优点,因此被广泛应用在轨道牵引、交流传动、变频器、航空航天等领域.中国电力电子器件发展蓝皮书(2016～2020年)指出，目前我国IGBT芯片和模块已经实现了600、1 200、1 700、3 300、4 500、6 500 V IGBT产品的量产，另外书中还指出，未来10～15年在电力电子器件市场中，IGBT仍处于主导地位，并且向超大功率发展.IGBT应用广泛且优点众多，但是在实际应用中，IGBT却有两个致命的缺点，那就是其耐过流能力和耐过压能力较差，如果在使用中不对其进行限制和保护，一旦电路中的电流和电压超过IGBT允许的最大电流和电压，轻则，设备跳闸，进入保护；重则，IGBT被严重击穿，发生炸裂.因此，在IGBT应用中，需要对其进行保护，防止IGBT因过压和过流发生意外.

IGBT驱动电路为IGBT稳定工作提供所需功率和保证IGBT可靠开通与关断的控制电压以及对IGBT进行过压和过流的保护[1-2]，进而保证IGBT能够可靠、安全、稳定的工作.在IGBT驱动电路中，对IGBT的保护是设计中的重中之重.IGBT发生过压和过流故障时，保护电路应能够及时切断门极控制电压，避免IGBT因过压和过流发生击穿.IGBT的过流保护通常是通过检测VCE的饱和压降来判断;对于IGBT过压检测，传统的方法是采用无源缓冲网络、有源钳位[3- 4]、动态栅极控制.根据对IGBT实际的应用知道，驱动器是被动的收集IGBT电流变化率，但却直接主动的反馈到栅极或者驱动器.根据这一特性，本文提出一种将有源钳位和动态负反馈相结合的IGBT过压保护技术.

1 IGBT过压产生的机理

对于IGBT过压，原则上将其分为“外部过压”和“内部过压”.图1示出了两种过压的机理.

Vk是外加的换流电压，它瞬态电压上升会超过IGBT的耐压，造成IGBT外部过压.外部过压通常只在一些固定场合中会发生，不做详细说明.内部过压是由于电路中存在较大的杂散电感(通常为几十到数百nH)，在IGBT关断瞬间，集电极感应出大的di/dt，进而在杂散电感两端感应出大的电动势或开关过程中的内部震荡引起的.

图1 IGBT过压产生机理

假设图1中VS1突然关断，此时，VS1集电极电流IK也会突然下降，杂散电感Lk两端感应出电动势Eδ：

(1)

式中，dik/dt为VS1的集-射极电流变化率.VS1的C-E间承受的电压VCE：

VCE=VK+Eδ

(2)

由式(1)、(2)知，IGBT在关断时，集-射极电流变化越大，IGBT承受的电压就越高，IGBT就越容易因过压而被击穿.图2为IGBT关断时，典型的集-射极电压波形.

图2 IGBT关断时，C-E间电压波形

2 IGBT传统过压抑制策略

IGBT过压主要是端口过压(集电极-发射极过压、栅极-发射极过压、直流母线过压)，传统的端口过压抑制措施[5]主要有无源缓冲网络，有源钳位和动态栅极控制技术.

2.1 无源缓冲网络过压抑制

无源缓冲网络(缓冲器)是由无源元件构成的.工作原理是利用一个电容器来吸收换流回路中的电感LK存储的能量，从而避免感应能量E导致的过电压.图3是采用不同方式所组成的无源缓冲网络.

以上学者做的实证研究表明，母语在二语习得的作用主要以正迁移为主；而有的学者认为以负迁移为主，并作了以下的一些研究。

无源缓冲网络构成的过压保护电路，在两次冲放电过程中，前一次的吸收的能量必须要被消耗掉，这样才能保证第二次充电过程的效果.简单的缓冲器是通过电阻把能量转换成热能，或者利用直流母线电容器来对母线电压进行缓冲均衡.采用无源缓冲网络对过电压的限制值通常会受到IGBT的工作点的影响，它需要按照“最坏情况” 去设计，因此对器件的要求比较高.

图3 无源缓冲网络方式

2.2 有源钳位过压抑制

有源钳位是将IGBT的集电极通过一个稳压元件直接反馈到栅极，其实质为采用负反馈方法，对IGBT集电极电位进行压制，使之收敛于某一给定值.图4示出了带有有源钳位过压抑制的IGBT保护电路.

图4 带有有源钳位的IGBT保护电路

如图4，有源钳位的工作原理是，当IGBT的集电极电压过高时，稳压元件Z就会被击穿，电流从集电极流入栅极，栅极电位被提高，进而减小关断电流变化率，使尖峰电压变小.图5给出了有源钳位电路[6]的演变过程.

图5 有源钳位器的演变过程

演变电路取决于稳压元件的平均功耗.原则上换流电压(直流母线电压)和钳位电压的差距越大，钳位电路中元件的功耗就越小.

有源钳位技术解决了被限制的开关电压受换流器的工作点的影响.但是，在IGBT关断瞬间，IGBT驱动器的最后一级功率推动级的三极管的下管是导通的，且这个支路阻抗较低，因此稳压元件的大部分电流被这个三极管给旁路，只有少部分电流会流入门极；稳压元件电流增大会导致其击穿电压持续上升，进而影响到钳位效果.另外，在有源钳位中，稳压管的功耗非常大，因此需要选取封装较大的稳压管，这就会导致电路误差偏大，稳压管结电容过高.

2.3 动态栅极控制过压抑制

动态栅极控制是通过改变IGBT关断时的栅极电阻来抑制过压的[7-8]，其实质是直接影响控制IGBT的电流和电压变化率以及感应产生的过电压.例如落木源SKHI23驱动器和SKYPER52驱动器就是在IGBT出现过电流和短路时，利用较大的栅极电阻来进行缓慢关断，防止过电压的.图6给出了IGBT过压时采用动态栅极控制，进行缓慢关断的两种方式简化示意图.

(a)增大栅极电阻RGoff

(b)电流源控制

动态栅极控制对于一些复杂的驱动器，在换流器正常运行期间，栅极串联电阻按照时间被切换连接，可以使开关时间、开关损耗和开关过电压达到最佳效果.然而栅极串联电阻过大时，会使得IGBT的开通与关断时间增加，开关损耗增加；电阻过小时，会导致di/dt增大，不仅引发IGBT误导通，还会使集电极产生尖峰电压，严重的会在G、E间发生震荡，进而损坏IGBT.

3 有源钳位和动态负反馈相结合过压抑制策

3.1 IGBT数学建模

IGBT关断瞬间会在集-射极产生较高的尖峰电压，因此，IGBT过压抑制通常是发生在IGBT关断的瞬间.图7是IGBT在关断时的等效数学模型[9].

图7 IGBT等效的数学模型

(3)

式(3)中：

分析IGBT的小信号模型和传递函数，便于利用自动控制原理的方法分析整个驱动保护电路的稳定性.

3.2 IGBT过压抑制

IGBT驱动器是被动的收集IGBT电流和电压变化率，直接主动的反馈到栅极，或者反馈到驱动器的.其中，di/dt的信息感性反馈到发射极[11]，dv/dt的信息容性耦合到集电极.图8展示了利用自动控制理论构建的di/dt和dv/dt的直接动态反馈.

图8 di/dt和dv/dt的直接动态反馈

根据图8知，di/dt和dv/dt都是负反馈，其中di/dt是将反馈在发射极的感性信息主动的通过负反馈反馈给门极；而dv/dt则是将耦合在集电极的容性信息负反馈给门极.因此，无论是di/dt引起的过压还是dv/dt引起的过流，驱动器都能够及时的对IGBT进行调节，避免IGBT发生过压和过流，损坏IGBT.

有源钳位实质也是利用了自动控制理论中的负反馈方法，对集电极电位进行压制，使之收敛于某一给定值.因此，有源钳位和动态负反馈结合过压保护电路其本质就是利用自动控制原理的负反馈网络对栅极进行调节，使之工作在最佳状态.图9是有源钳位和动态负反馈相结合的IGBT过压保护电路原理图.

图9 有源钳位和动态负反馈相结合的过电压保护电路

图9中，保护电路将有源钳位和动态负反馈相结合，主动钳位和dv/dt负反馈交错运行，即它们不但直接对栅极而且也对驱动放大器进行控制.通过对参数DZE、DZG、CZE和CZG的设计，参数可以随动态特性进行优化设置.di/dt的负反馈通过一个小电感(nH数量级)连接在发射端来实现，它同DZR一起确定了门限参数.

4 测试对比分析

为了测试有源钳位和动态负反馈相结合的过压保护电路效果，选择英飞凌的IRG4PH50U型号的IGBT进行测试对比分析，该型号IGBT集-射极最大电压VCE=1 200 V，集电极电流IC=45 A(Tj=25℃)，饱和压降VCE(sat)=3.2 V，门槛电压VG(th)=3～6 V，门极驱动电压为VG=±15V，测试的直流电压Vd=800 V.

图10(a)为IGBT门极驱动电压波形，从图中看出，IGBT在12.5 us时关断.对比图10(b)～(f)，从(b)图可以看出，当IGBT关断时，集-射极的电压有明显的震荡且尖峰电压高达1 732 V，已大大超过IGBT自身所能承受的最大电压，若不对其进行处理，IGBT将会因过压而被击穿，进而造成IGBT的永久性损坏.(c)图是带有RCD缓冲网络的尖峰电压波形，从图中可以看出，RCD缓冲网络不仅对尖峰进行了抑制，而且也缓解了电压的震荡，但是由于无源缓冲网络易受到IGBT工作点的影响，因此，无源缓冲网络虽然抑制了尖峰电压，却对无源器件的要求非常高.(d)图是采用有源钳位对尖峰电压进行抑制，从图中可以看出，虽然有源钳位可以将尖峰电压钳位在稳压值，不会使IGBT过压，但是，由于钳位电流被前级大部分分走，因此，集-射极间电压变化率依然很大且有明显的震荡.图(e)是通过控制栅极电阻来抑制尖峰电压的，从波形上可以看出，改变栅极电阻确实可以抑制尖峰电压，但是栅极电阻又影响着驱动电压、功率损耗等，不能大幅度改变，因此通过栅极电阻来抑制尖峰电压，虽然有效果，却不是很明显.图(f)是利用有源钳位和动态负反馈相结合来抑制过电压的， 从仿真出的集-射极电压波形可以看出，采用这种过压保护电路，不仅能有效的抑制尖峰电压，而且还能消除因电路电感和IGBT集射间电容引起的LC震荡.

(a)栅极电压

(b)未采取保护时的C-E间电压

(c)带RCD缓冲网络的C-E间电压

(d)带有源钳位的C-E间电压

(e)动态栅极控制的C-E间电压

(f)有源钳位和动态负反馈相结合的C-E间电压

5 结论

IGBT过压保护是实现IGBT可靠、安全运行的保障.本文分析了IGBT过压产生的机理，对传统的IGBT过压保护方法所存在的不足也进行了研究，并对其进行了测试分析.根据IGBT驱动器是被动收集IGBT电流和电压变化率，直接主动的反馈到栅极，或者反馈到驱动器的，且di/dt的信息感性反馈到发射极，dv/dt的信息容性耦合到集电极这一原理，对有源钳位和动态负反馈相结合的过压保护电路进行了重点分析.通过对比图10(b)～(e)测试波形可以得出：

(1)基于有源钳位和动态负反馈的过压保护电路比传统的过压保护电路对IGBT关断时的尖峰电压有更强的抑制效果；

(2)利用有源钳位和动态负反馈能实时的对栅极驱动电压进行调节，使IGBT工作在最佳状态；

(3)应用该组合保护电路能够有效抑制IGBT关断集-射极间电压的震荡.

[1]周志敏，纪爱华.IGBT驱动与保护电路设计及应用电路实例[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2]唐开毅.中高压大功率IGBT驱动保护电路及应用研究[D].湖南：湖南大学，2014.

[3]张佃青，王永，赵波.有源箝位抑制 IGBT 浪涌电压的研究[J].电力电子技术，2010,44(11)：101-103.

[4]IGBT应用技术之有源钳位详解.上海菱端电子有限公司[EB/OL]．http://www.igbt8.com/.

[5]赵恺.IGBT驱动及过压保护研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[6]KRÜMMER R. Beitrag zur Verbesserung der elektrischen und thermischen Ausnutzung von Leistungshalbleiterschaltern, diss[M].ISLE Verlag: Ilmenau, 2005.

[7]HELSPER M.Analyse und Verbesserung des Verhaltens von Planar-und Trench-IGBT-Modulen in hart bzw weich schaltendenApplikationen,diss[M].Germany :Christian-Albrechts-Univer-sität Kiel, 2003.

[8]DÖRLEMANN CH.Geregelte Ansteuerung von Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT),diss[M]. Germany :Ruhr-University Bochum, 2002.

[9]李伟帮，侯凯，范镇淇,等.大红率IGBT仿真建模及其应用[J].电力电子技术,2012,46(12):49-51.

[10]YALAN WANG，PATRICK R PALMER. An Analysis of High-Power IGBT Switching Under Cascade Active Voltage Control[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 4(2):861-870.

[11]姚文海，程善美，李武杰,等.di/dt与集电极电压联合检测IGBT短路策略[J].电力电子技术，2013,47(12):57-59.