馮慶勝,沈培富,戴淑軍

(1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連天運(yùn)電氣有限公司，遼寧 大連 116028)

0 引言

絕緣柵雙極性晶體管(又稱IGBT)既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),又有驅(qū)動(dòng)功率小、通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用在軌道牽引、交流傳動(dòng)、變頻器、航空航天等領(lǐng)域.中國(guó)電力電子器件發(fā)展藍(lán)皮書(2016～2020年)指出，目前我國(guó)IGBT芯片和模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了600、1 200、1 700、3 300、4 500、6 500 V IGBT產(chǎn)品的量產(chǎn)，另外書中還指出，未來(lái)10～15年在電力電子器件市場(chǎng)中，IGBT仍處于主導(dǎo)地位，并且向超大功率發(fā)展.IGBT應(yīng)用廣泛且優(yōu)點(diǎn)眾多，但是在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT卻有兩個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是其耐過(guò)流能力和耐過(guò)壓能力較差，如果在使用中不對(duì)其進(jìn)行限制和保護(hù)，一旦電路中的電流和電壓超過(guò)IGBT允許的最大電流和電壓，輕則，設(shè)備跳閘，進(jìn)入保護(hù)；重則，IGBT被嚴(yán)重?fù)舸?，發(fā)生炸裂.因此，在IGBT應(yīng)用中，需要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，防止IGBT因過(guò)壓和過(guò)流發(fā)生意外.

IGBT驅(qū)動(dòng)電路為IGBT穩(wěn)定工作提供所需功率和保證IGBT可靠開通與關(guān)斷的控制電壓以及對(duì)IGBT進(jìn)行過(guò)壓和過(guò)流的保護(hù)[1-2]，進(jìn)而保證IGBT能夠可靠、安全、穩(wěn)定的工作.在IGBT驅(qū)動(dòng)電路中，對(duì)IGBT的保護(hù)是設(shè)計(jì)中的重中之重.IGBT發(fā)生過(guò)壓和過(guò)流故障時(shí)，保護(hù)電路應(yīng)能夠及時(shí)切斷門極控制電壓，避免IGBT因過(guò)壓和過(guò)流發(fā)生擊穿.IGBT的過(guò)流保護(hù)通常是通過(guò)檢測(cè)VCE的飽和壓降來(lái)判斷;對(duì)于IGBT過(guò)壓檢測(cè)，傳統(tǒng)的方法是采用無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)、有源鉗位[3- 4]、動(dòng)態(tài)柵極控制.根據(jù)對(duì)IGBT實(shí)際的應(yīng)用知道，驅(qū)動(dòng)器是被動(dòng)的收集IGBT電流變化率，但卻直接主動(dòng)的反饋到柵極或者驅(qū)動(dòng)器.根據(jù)這一特性，本文提出一種將有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合的IGBT過(guò)壓保護(hù)技術(shù).

1 IGBT過(guò)壓產(chǎn)生的機(jī)理

對(duì)于IGBT過(guò)壓，原則上將其分為“外部過(guò)壓”和“內(nèi)部過(guò)壓”.圖1示出了兩種過(guò)壓的機(jī)理.

Vk是外加的換流電壓，它瞬態(tài)電壓上升會(huì)超過(guò)IGBT的耐壓，造成IGBT外部過(guò)壓.外部過(guò)壓通常只在一些固定場(chǎng)合中會(huì)發(fā)生，不做詳細(xì)說(shuō)明.內(nèi)部過(guò)壓是由于電路中存在較大的雜散電感(通常為幾十到數(shù)百nH)，在IGBT關(guān)斷瞬間，集電極感應(yīng)出大的di/dt，進(jìn)而在雜散電感兩端感應(yīng)出大的電動(dòng)勢(shì)或開關(guān)過(guò)程中的內(nèi)部震蕩引起的.

圖1 IGBT過(guò)壓產(chǎn)生機(jī)理

假設(shè)圖1中VS1突然關(guān)斷，此時(shí)，VS1集電極電流IK也會(huì)突然下降，雜散電感Lk兩端感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)Eδ：

(1)

式中，dik/dt為VS1的集-射極電流變化率.VS1的C-E間承受的電壓VCE：

VCE=VK+Eδ

(2)

由式(1)、(2)知，IGBT在關(guān)斷時(shí)，集-射極電流變化越大，IGBT承受的電壓就越高，IGBT就越容易因過(guò)壓而被擊穿.圖2為IGBT關(guān)斷時(shí)，典型的集-射極電壓波形.

圖2 IGBT關(guān)斷時(shí)，C-E間電壓波形

2 IGBT傳統(tǒng)過(guò)壓抑制策略

IGBT過(guò)壓主要是端口過(guò)壓(集電極-發(fā)射極過(guò)壓、柵極-發(fā)射極過(guò)壓、直流母線過(guò)壓)，傳統(tǒng)的端口過(guò)壓抑制措施[5]主要有無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)，有源鉗位和動(dòng)態(tài)柵極控制技術(shù).

2.1 無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)過(guò)壓抑制

無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)(緩沖器)是由無(wú)源元件構(gòu)成的.工作原理是利用一個(gè)電容器來(lái)吸收換流回路中的電感LK存儲(chǔ)的能量，從而避免感應(yīng)能量E導(dǎo)致的過(guò)電壓.圖3是采用不同方式所組成的無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò).

以上學(xué)者做的實(shí)證研究表明，母語(yǔ)在二語(yǔ)習(xí)得的作用主要以正遷移為主；而有的學(xué)者認(rèn)為以負(fù)遷移為主，并作了以下的一些研究。

無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的過(guò)壓保護(hù)電路，在兩次沖放電過(guò)程中，前一次的吸收的能量必須要被消耗掉，這樣才能保證第二次充電過(guò)程的效果.簡(jiǎn)單的緩沖器是通過(guò)電阻把能量轉(zhuǎn)換成熱能，或者利用直流母線電容器來(lái)對(duì)母線電壓進(jìn)行緩沖均衡.采用無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)對(duì)過(guò)電壓的限制值通常會(huì)受到IGBT的工作點(diǎn)的影響，它需要按照“最壞情況” 去設(shè)計(jì)，因此對(duì)器件的要求比較高.

圖3 無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)方式

2.2 有源鉗位過(guò)壓抑制

有源鉗位是將IGBT的集電極通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓元件直接反饋到柵極，其實(shí)質(zhì)為采用負(fù)反饋方法，對(duì)IGBT集電極電位進(jìn)行壓制，使之收斂于某一給定值.圖4示出了帶有有源鉗位過(guò)壓抑制的IGBT保護(hù)電路.

圖4 帶有有源鉗位的IGBT保護(hù)電路

如圖4，有源鉗位的工作原理是，當(dāng)IGBT的集電極電壓過(guò)高時(shí)，穩(wěn)壓元件Z就會(huì)被擊穿，電流從集電極流入柵極，柵極電位被提高，進(jìn)而減小關(guān)斷電流變化率，使尖峰電壓變小.圖5給出了有源鉗位電路[6]的演變過(guò)程.

圖5 有源鉗位器的演變過(guò)程

演變電路取決于穩(wěn)壓元件的平均功耗.原則上換流電壓(直流母線電壓)和鉗位電壓的差距越大，鉗位電路中元件的功耗就越小.

有源鉗位技術(shù)解決了被限制的開關(guān)電壓受換流器的工作點(diǎn)的影響.但是，在IGBT關(guān)斷瞬間，IGBT驅(qū)動(dòng)器的最后一級(jí)功率推動(dòng)級(jí)的三極管的下管是導(dǎo)通的，且這個(gè)支路阻抗較低，因此穩(wěn)壓元件的大部分電流被這個(gè)三極管給旁路，只有少部分電流會(huì)流入門極；穩(wěn)壓元件電流增大會(huì)導(dǎo)致其擊穿電壓持續(xù)上升，進(jìn)而影響到鉗位效果.另外，在有源鉗位中，穩(wěn)壓管的功耗非常大，因此需要選取封裝較大的穩(wěn)壓管，這就會(huì)導(dǎo)致電路誤差偏大，穩(wěn)壓管結(jié)電容過(guò)高.

2.3 動(dòng)態(tài)柵極控制過(guò)壓抑制

動(dòng)態(tài)柵極控制是通過(guò)改變IGBT關(guān)斷時(shí)的柵極電阻來(lái)抑制過(guò)壓的[7-8]，其實(shí)質(zhì)是直接影響控制IGBT的電流和電壓變化率以及感應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)電壓.例如落木源SKHI23驅(qū)動(dòng)器和SKYPER52驅(qū)動(dòng)器就是在IGBT出現(xiàn)過(guò)電流和短路時(shí)，利用較大的柵極電阻來(lái)進(jìn)行緩慢關(guān)斷，防止過(guò)電壓的.圖6給出了IGBT過(guò)壓時(shí)采用動(dòng)態(tài)柵極控制，進(jìn)行緩慢關(guān)斷的兩種方式簡(jiǎn)化示意圖.

(a)增大柵極電阻RGoff

(b)電流源控制

動(dòng)態(tài)柵極控制對(duì)于一些復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器，在換流器正常運(yùn)行期間，柵極串聯(lián)電阻按照時(shí)間被切換連接，可以使開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗和開關(guān)過(guò)電壓達(dá)到最佳效果.然而柵極串聯(lián)電阻過(guò)大時(shí)，會(huì)使得IGBT的開通與關(guān)斷時(shí)間增加，開關(guān)損耗增加；電阻過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致di/dt增大，不僅引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，還會(huì)使集電極產(chǎn)生尖峰電壓，嚴(yán)重的會(huì)在G、E間發(fā)生震蕩，進(jìn)而損壞IGBT.

3 有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合過(guò)壓抑制策

3.1 IGBT數(shù)學(xué)建模

IGBT關(guān)斷瞬間會(huì)在集-射極產(chǎn)生較高的尖峰電壓，因此，IGBT過(guò)壓抑制通常是發(fā)生在IGBT關(guān)斷的瞬間.圖7是IGBT在關(guān)斷時(shí)的等效數(shù)學(xué)模型[9].

圖7 IGBT等效的數(shù)學(xué)模型

(3)

式(3)中：

分析IGBT的小信號(hào)模型和傳遞函數(shù)，便于利用自動(dòng)控制原理的方法分析整個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的穩(wěn)定性.

3.2 IGBT過(guò)壓抑制

IGBT驅(qū)動(dòng)器是被動(dòng)的收集IGBT電流和電壓變化率，直接主動(dòng)的反饋到柵極，或者反饋到驅(qū)動(dòng)器的.其中，di/dt的信息感性反饋到發(fā)射極[11]，dv/dt的信息容性耦合到集電極.圖8展示了利用自動(dòng)控制理論構(gòu)建的di/dt和dv/dt的直接動(dòng)態(tài)反饋.

圖8 di/dt和dv/dt的直接動(dòng)態(tài)反饋

根據(jù)圖8知，di/dt和dv/dt都是負(fù)反饋，其中di/dt是將反饋在發(fā)射極的感性信息主動(dòng)的通過(guò)負(fù)反饋反饋給門極；而dv/dt則是將耦合在集電極的容性信息負(fù)反饋給門極.因此，無(wú)論是di/dt引起的過(guò)壓還是dv/dt引起的過(guò)流，驅(qū)動(dòng)器都能夠及時(shí)的對(duì)IGBT進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免IGBT發(fā)生過(guò)壓和過(guò)流，損壞IGBT.

有源鉗位實(shí)質(zhì)也是利用了自動(dòng)控制理論中的負(fù)反饋方法，對(duì)集電極電位進(jìn)行壓制，使之收斂于某一給定值.因此，有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋結(jié)合過(guò)壓保護(hù)電路其本質(zhì)就是利用自動(dòng)控制原理的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)對(duì)柵極進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之工作在最佳狀態(tài).圖9是有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合的IGBT過(guò)壓保護(hù)電路原理圖.

圖9 有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合的過(guò)電壓保護(hù)電路

圖9中，保護(hù)電路將有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合，主動(dòng)鉗位和dv/dt負(fù)反饋交錯(cuò)運(yùn)行，即它們不但直接對(duì)柵極而且也對(duì)驅(qū)動(dòng)放大器進(jìn)行控制.通過(guò)對(duì)參數(shù)DZE、DZG、CZE和CZG的設(shè)計(jì)，參數(shù)可以隨動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置.di/dt的負(fù)反饋通過(guò)一個(gè)小電感(nH數(shù)量級(jí))連接在發(fā)射端來(lái)實(shí)現(xiàn)，它同DZR一起確定了門限參數(shù).

4 測(cè)試對(duì)比分析

為了測(cè)試有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合的過(guò)壓保護(hù)電路效果，選擇英飛凌的IRG4PH50U型號(hào)的IGBT進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析，該型號(hào)IGBT集-射極最大電壓VCE=1 200 V，集電極電流IC=45 A(Tj=25℃)，飽和壓降VCE(sat)=3.2 V，門檻電壓VG(th)=3～6 V，門極驅(qū)動(dòng)電壓為VG=±15V，測(cè)試的直流電壓Vd=800 V.

圖10(a)為IGBT門極驅(qū)動(dòng)電壓波形，從圖中看出，IGBT在12.5 us時(shí)關(guān)斷.對(duì)比圖10(b)～(f)，從(b)圖可以看出，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，集-射極的電壓有明顯的震蕩且尖峰電壓高達(dá)1 732 V，已大大超過(guò)IGBT自身所能承受的最大電壓，若不對(duì)其進(jìn)行處理，IGBT將會(huì)因過(guò)壓而被擊穿，進(jìn)而造成IGBT的永久性損壞.(c)圖是帶有RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)的尖峰電壓波形，從圖中可以看出，RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)不僅對(duì)尖峰進(jìn)行了抑制，而且也緩解了電壓的震蕩，但是由于無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)易受到IGBT工作點(diǎn)的影響，因此，無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)雖然抑制了尖峰電壓，卻對(duì)無(wú)源器件的要求非常高.(d)圖是采用有源鉗位對(duì)尖峰電壓進(jìn)行抑制，從圖中可以看出，雖然有源鉗位可以將尖峰電壓鉗位在穩(wěn)壓值，不會(huì)使IGBT過(guò)壓，但是，由于鉗位電流被前級(jí)大部分分走，因此，集-射極間電壓變化率依然很大且有明顯的震蕩.圖(e)是通過(guò)控制柵極電阻來(lái)抑制尖峰電壓的，從波形上可以看出，改變柵極電阻確實(shí)可以抑制尖峰電壓，但是柵極電阻又影響著驅(qū)動(dòng)電壓、功率損耗等，不能大幅度改變，因此通過(guò)柵極電阻來(lái)抑制尖峰電壓，雖然有效果，卻不是很明顯.圖(f)是利用有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合來(lái)抑制過(guò)電壓的， 從仿真出的集-射極電壓波形可以看出，采用這種過(guò)壓保護(hù)電路，不僅能有效的抑制尖峰電壓，而且還能消除因電路電感和IGBT集射間電容引起的LC震蕩.

(a)柵極電壓

(b)未采取保護(hù)時(shí)的C-E間電壓

(c)帶RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)的C-E間電壓

(d)帶有源鉗位的C-E間電壓

(e)動(dòng)態(tài)柵極控制的C-E間電壓

(f)有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合的C-E間電壓

5 結(jié)論

IGBT過(guò)壓保護(hù)是實(shí)現(xiàn)IGBT可靠、安全運(yùn)行的保障.本文分析了IGBT過(guò)壓產(chǎn)生的機(jī)理，對(duì)傳統(tǒng)的IGBT過(guò)壓保護(hù)方法所存在的不足也進(jìn)行了研究，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試分析.根據(jù)IGBT驅(qū)動(dòng)器是被動(dòng)收集IGBT電流和電壓變化率，直接主動(dòng)的反饋到柵極，或者反饋到驅(qū)動(dòng)器的，且di/dt的信息感性反饋到發(fā)射極，dv/dt的信息容性耦合到集電極這一原理，對(duì)有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋相結(jié)合的過(guò)壓保護(hù)電路進(jìn)行了重點(diǎn)分析.通過(guò)對(duì)比圖10(b)～(e)測(cè)試波形可以得出：

(1)基于有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋的過(guò)壓保護(hù)電路比傳統(tǒng)的過(guò)壓保護(hù)電路對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓有更強(qiáng)的抑制效果；

(2)利用有源鉗位和動(dòng)態(tài)負(fù)反饋能實(shí)時(shí)的對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使IGBT工作在最佳狀態(tài)；

(3)應(yīng)用該組合保護(hù)電路能夠有效抑制IGBT關(guān)斷集-射極間電壓的震蕩.

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