劉革菊

（國營大眾機(jī)械廠第一研究所，山西太原 030024）

0 引言

IGBT模塊耐壓高、電流大、飽和壓降低、工作頻率高，是大功率逆變器、電源等電力電子裝置的首選功率器件。但I(xiàn)GBT抗過載能力不高，設(shè)計發(fā)揮IGBT性能、高可靠性的IGBT驅(qū)動電路，是設(shè)計者必須考慮的問題。本文從應(yīng)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模塊2SC0435T為核心部件，設(shè)計了大功率IGBT的短路保護(hù)和有源鉗位電路，試驗驗證該驅(qū)動器具有良好的驅(qū)動及保護(hù)能力。

1 IGBT的特性分析

1.1 IGBT損壞原因分析

IGBT模塊在使用過程中損壞的主要原因有:VCE過壓、VGE過壓、過高的 dv/dt、過高的靜電（ESD）、過流、短路、過高的di/dt、過高的結(jié)溫等，IGBT驅(qū)動電路能保護(hù)的項目有:VCE過壓、VGE過壓、過高的 dv/dt、短路、過高的 di/dt。

1.2 IGBT的外特性

圖1是IGBT的外特性圖，通常IGBT的datasheet中只給出額定電流的2倍曲線的外特性（左下角），電流再大的部分屬于定性不定量的示意圖。

圖1 IGBT的外特性圖（以英飛凌的FF450R12ME4為例）

從圖1可以看出IGBT的特性:

（1）IGBT在某門極電壓下，電流Ic被限制在一定高度，Ic最大值約為IGBT額定電流的4倍。

（2）門極電壓可以強(qiáng)烈地影響IGBT短路電流的數(shù)值。

（3）IGBT的電流在1倍至3倍之間變化，Vcesat的變化非常微弱，只有幾伏的差別。

（4）IGBT退飽和后，Vcesat變化顯著。

（5）IGBT短路時，進(jìn)入線性區(qū)。在線性區(qū)，門極電壓與短路電流呈線性關(guān)系。

1.3 IGBT短路與過流分析

1.3.1 IGBT短路分析

IGBT短路時的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下，這是一個線性方程。

它表示，在短路發(fā)生時，電流的絕對值與電壓、回路中的電感量及整個過程持續(xù)的時間有關(guān)系。絕大部分的短路，母線電壓都是在額定點的，影響短路電流的因素主要是“短路回路中的電感量”。因此依據(jù)短路回路中的電感量，可將短路分為一類短路和二類短路。

發(fā)生一類短路時，回路中的電感量很小（100nH級），見圖2。IGBT的電流會快速上升，當(dāng)電流上升到4倍額定電流，IGBT發(fā)生退飽和現(xiàn)象，IGBT的電壓會迅速上升至直流母線電壓，芯片的損耗非常大。驅(qū)動器需在10us內(nèi)把IGBT關(guān)斷，稱短路保護(hù)。

圖2 一類短路波形圖

發(fā)生二類短路時，由于回路的電感量稍大（uH級），電流爬升的速度慢（相比一類），IGBT的Vcesat下降至飽和壓降，隨著電流進(jìn)一步加大，飽和壓降輕微上升，之后存在兩種情況:

●電流能到達(dá)“退飽和點”時，Vcesat迅速上升至直流母線電壓，10μs內(nèi)驅(qū)動器關(guān)斷IGBT，IGBT得到保護(hù);

●當(dāng)電流爬升慢，IGBT不發(fā)生退飽和現(xiàn)象，IGBT處于過流狀態(tài)。如果不及時關(guān)斷，由于電流比正常值高很多，經(jīng)過若干開關(guān)周期后，IGBT損耗會比較高，結(jié)溫會迅速上升，從而導(dǎo)致IGBT失效。此時需檢測IGBT電流變化率，對IGBT進(jìn)行及時關(guān)斷，稱過流保護(hù)。

根據(jù)IGBT特性，IGBT電流變化率可通過Vcesat檢測，但由于Vcesat在飽和區(qū)內(nèi)變化微弱，容易導(dǎo)致驅(qū)動器誤保護(hù)，所以，現(xiàn)在IGBT驅(qū)動保護(hù)電路只進(jìn)行短路保護(hù)，過流保護(hù)由霍爾電流傳感器完成。

1.3.2 IGBT短路保護(hù)電路策略

從IGBT短路波形圖可知，當(dāng)IGBT短路發(fā)生時，電流上升至IGBT的4倍額定電流，驅(qū)動保護(hù)電路要將這個電流關(guān)斷，這時的電流值比逆變器正常電流高4倍以上，勢必產(chǎn)生很高的電壓尖峰。為了防止電壓尖峰損壞IGBT，需要引入有源鉗位電路。

因此，大功率IGBT短路保護(hù)電路的控制策略:

（1）短路保護(hù)電路;

（2）有源鉗位電路。

1.3.3 大功率IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計規(guī)范

大功率IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計規(guī)范:

（1）采用隔離變壓器;

（2）采用Vcesat飽和壓降進(jìn)行短路檢測和管理，包括軟關(guān)斷動作，以及采用不同的門極電阻進(jìn)行開通和關(guān)斷。

由于大功率IGBT驅(qū)動電路復(fù)雜，本文以瑞士CONCEPT公司最新推出的第二代SCALE-2模塊2SC0435T作為核心部件，設(shè)計驅(qū)動電路。與第一代SCALE-1模塊2SD315A比較，2SC0435T改進(jìn)了短路保護(hù)功能，增加了有源鉗位功能。

2 大功率IGBT短路保護(hù)電路設(shè)計

2.1 SCALE模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SCALE模塊內(nèi)部主要由三個功能模塊構(gòu)成，即邏輯驅(qū)動轉(zhuǎn)化接口LDI、電氣隔離模塊和智能柵極驅(qū)動IGD。

第一個功能模塊是由輔助電源和信號輸入兩部分組成。其中信號輸入部分主要將控制器的PWM信號進(jìn)行整形放大，并根據(jù)需要進(jìn)行控制，之后傳遞到信號變壓器，同時檢測從信號變壓器返回的故障信號，將故障信號處理后發(fā)送到故障輸出端;輔助電源的功能是將輸入的直流電壓經(jīng)過單端反激式變換電路，轉(zhuǎn)換成兩路隔離電源供給輸出驅(qū)動放大器使用。

第二個功能模塊是電氣隔離模塊，由兩個傳遞信號的脈沖變壓器和傳遞功率的電源變壓器組成。防止功率驅(qū)動電路中大電流、高電壓對一次側(cè)信號的干擾。

第三個功能模塊是驅(qū)動信號輸出模塊，IGD主要對信號變壓器的信號進(jìn)行解調(diào)和放大，對IGBT的短路和過流進(jìn)行檢測，并進(jìn)行故障存儲和短路保護(hù)。

2.2 一代SCALE－1短路保護(hù)電路

圖3所示為CONCEPT第一代SCALE-1的經(jīng)典IGBT保護(hù)電路，工作原理是:

（1）當(dāng)IGBT關(guān)斷時，T1導(dǎo)通，電流源1被T1旁路，Ca的點位被鉗在低位，比較器不翻轉(zhuǎn)。

（2）當(dāng)IGBT進(jìn)入開通的過程中，T1截止，IGBT進(jìn)入飽和導(dǎo)通，電流源1流過Rm，Dm及IGBT形成回路，比較器不翻轉(zhuǎn)。

（3）當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路時，會退出飽和區(qū)，Vce快速上升至直流母線電壓，Dm馬上截止，電流源1則向Ca充電，Ca的電位線性上升，到達(dá)門檻時比較器翻轉(zhuǎn)。

圖3 基于2SD315的短路保護(hù)電路

參數(shù)設(shè)定:

（1）比較器的反向輸入端為參考電壓值，Vth=150 μA*Rth;

（2）正常導(dǎo)通時，集電極電壓為飽和電壓值，一般為2V左右，加上2個1N4007的壓降，以及恒流源1.4mA通過Rm的壓降，可得出同相端電壓值一般為3V左右;

（3）短路或過流時，1N4007反向截止，1.4mA的恒流源給Ca充電，由U=IT/C可推出響應(yīng)時間。

響應(yīng)時間與定時電容Ca、參考電壓電阻Rth的關(guān)系見表1。

表1 SCALE-1的響應(yīng)時間與Ca、Rth的關(guān)系

因為Vth設(shè)定為飽和電壓值，電路在應(yīng)用中易導(dǎo)致驅(qū)動器誤保護(hù)［1］。

2.3 二代SCALE-2短路保護(hù)電路

圖4為SCALE-2功能示意圖，橫軸電壓參考點為IGBT的發(fā)射極（VE）。

與SCALE-1相比，SCALE-2去掉1個恒流源，去掉2個1N4007，工作原理是:

（1）當(dāng)IGBT關(guān)斷時，內(nèi)部mosfet打開，Cx上電壓被鉗在COM，比較器不翻轉(zhuǎn);

（2）當(dāng)IGBT進(jìn)入導(dǎo)通的過程中，內(nèi)部mosfet關(guān)掉，3點電位向2點充電，2點電位最終接近發(fā)射極電位;

（3）當(dāng)IGBT短路時，其退出飽和區(qū)，3點電位為母線電壓，2點被充電，經(jīng)過定時后比較器翻轉(zhuǎn)。

參數(shù)設(shè)定:

注:BAS316/416為低漏電流二極管Rvce為限流電阻，最大電流為0.6mA～1mA

（1）比較器反相輸入端依然為參考電壓值 ，Vth=150 μA*Rth;

（2）正常導(dǎo)通時，集電極還是飽和電壓，大概2V左右，Dm反向截止，Cx無充電回路，同相端電壓穩(wěn)定;

（3）短路時，集電極電位上升至母線電壓，由于Rvce限流作用，15V電源作為負(fù)載源，使得同相端電位通過給Ca充電迅速提高，最終約等于10V左右，集電極的高壓主要承受在Rvce上。

響應(yīng)時間與定時電容Cx、參考電壓電阻Rth的關(guān)系見表2。

表2 SCALE-2的響應(yīng)時間與Ca、Rth的關(guān)系

與SCALE-1比，SCALE-2的快速性和可靠性得到提高。

圖4 基于2SC0435T的短路保護(hù)

3 IGBT有源鉗位電路設(shè)計

3.1 有源鉗位電路的設(shè)計［4］

有源鉗位電路的目標(biāo)是鉗住IGBT的集電極電位，使其不要到達(dá)太高的水平，因為IGBT關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓尖峰太高或太陡，都會使IGBT受到威脅。

IGBT正常關(guān)斷時也會產(chǎn)生電壓尖峰，但數(shù)值不會太高，如果短路時關(guān)斷IGBT，產(chǎn)生的電壓尖峰則非常高，此時IGBT非常容易被打壞。所以有源鉗位電路通常在故障狀態(tài)下才會動作，正常時不工作。

當(dāng)TVS被擊穿時，電流IAAC會流進(jìn)ASIC（專用集成電路）的AAC單元。該單元會根據(jù)IAAC的大小操縱下管mosfet。當(dāng)該電流大于40mA時，下管mosfet開始被線性地關(guān)斷，當(dāng)電流大于500mA時，下管mosfet完全關(guān)閉。此時門極處于開路狀態(tài)，Iz會向門極電容充電，使門極電壓從米勒平臺回到+15V，從而使關(guān)斷電流變緩慢，達(dá)到電壓鉗位的效果。這個電路的特點是TVS的負(fù)載小，TVS的工作點接近額定點，鉗位的準(zhǔn)度高。

圖5 基于2SC0435T的有源鉗位電路

3.2 動態(tài)有源鉗位電路

在一些應(yīng)用中，例如太陽能逆變器，牽引變流器等，母線電壓有時可能會高于有源鉗位動作的電壓點，有源鉗位電路會進(jìn)入連續(xù)動作狀態(tài)，ASIC有很大風(fēng)險，此時需應(yīng)用動態(tài)有源鉗位電路，見圖6。

圖6 基于2SC0435T的動態(tài)有源鉗位電路

將有源鉗位的動作門檻設(shè)置成動態(tài)的，在IGBT導(dǎo)通時，門檻降低為Vth2，在IGBT關(guān)斷后，延遲一段時間，然后將有源鉗位的動作門檻提高到Vth1。這樣IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)時，其有源鉗位電路的動作門檻電壓是有區(qū)別的，但并不影響有源鉗位電路的本意，因為IGBT在關(guān)斷瞬間，鉗位門檻是在Vth2。如果母線電壓升高，IGBT在關(guān)斷態(tài)時，鉗位電路的門檻又比較高，這樣能較好地解決某些應(yīng)用中很現(xiàn)實的問題。

4 結(jié)論

根據(jù)IGBT的特性及IGBT的短路特性，驅(qū)動器只能對其進(jìn)行短路保護(hù)，過流保護(hù)功能由霍爾電流傳感器完成。基于二代SCALE-2模塊2SC0435T設(shè)計的IGBT驅(qū)動電路，解決了IGBT短路誤保護(hù)和有源鉗位問題，在工程應(yīng)用中得到驗證。

［1］周志敏，周紀(jì)海.IGBT和IPM及其應(yīng)用電路［M］.北京:人民郵電出版社，2006.