二代大功率IGBT短路保護和有源鉗位電路設計

劉革菊

（國營大眾機械廠第一研究所，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IGBT抗過載能力不高，設計發(fā)揮IGBT性能、高可靠性的IGBT驅動電路，是設計者必須考慮的問題。本文從應用角度，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，設計了大功率IGBT的短路保護和有源鉗位電路，試驗驗證該驅動器具有良好的驅動及保護能力。

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、過高的結溫等，IGBT驅動電路能保護的項目有: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，進入線性區(qū)。在線性區(qū)，門極電壓與短路電流呈線性關系。

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)學表達式如下，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?。?00nH級），見圖2。IGBT的電流會快速上升，當電流上升到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。驅動器需在10us內把IGBT關斷，稱短路保護。

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“退飽和點”時，Vcesat迅速上升至直流母線電壓，10μs內驅動器關斷IGBT，IGBT得到保護;

●當電流爬升慢，IGBT不發(fā)生退飽和現(xiàn)象，IGBT處于過流狀態(tài)。如果不及時關斷，由于電流比正常值高很多，經過若干開關周期后，IGBT損耗會比較高，結溫會迅速上升，從而導致IGBT失效。此時需檢測IGBT電流變化率，對IGBT進行及時關斷，稱過流保護。

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)內變化微弱，容易導致驅動器誤保護，所以，現(xiàn)在IGBT驅動保護電路只進行短路保護，過流保護由霍爾電流傳感器完成。

1.3.2 IGBT短路保護電路策略

從IGBT短路波形圖可知，當IGBT短路發(fā)生時，電流上升至IGBT的4倍額定電流，驅動保護電路要將這個電流關斷，這時的電流值比逆變器正常電流高4倍以上，勢必產生很高的電壓尖峰。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短路保護電路的控制策略:

（1）短路保護電路;

（2）有源鉗位電路。

1.3.3 大功率IGBT驅動電路的設計規(guī)范

大功率IGBT驅動電路的設計規(guī)范:

（1）采用隔離變壓器;

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

由于大功率IGBT驅動電路復雜，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，設計驅動電路。與第一代SCALE-1模塊2SD315A比較，2SC0435T改進了短路保護功能，增加了有源鉗位功能。

2 大功率IGBT短路保護電路設計

2.1 SCALE模塊的內部結構

SCALE模塊內部主要由三個功能模塊構成，即邏輯驅動轉化接口LDI、電氣隔離模塊和智能柵極驅動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信號進行整形放大，并根據(jù)需要進行控制，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過單端反激式變換電路，轉換成兩路隔離電源供給輸出驅動放大器使用。

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。防止功率驅動電路中大電流、高電壓對一次側信號的干擾。

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

2.2 一代SCALE－1短路保護電路

圖3所示為CONCEPT第一代SCALE-1的經典IGBT保護電路，工作原理是:

（1）當IGBT關斷時，T1導通，電流源1被T1旁路，Ca的點位被鉗在低位，比較器不翻轉。

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

（3）當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，到達門檻時比較器翻轉。

圖3 基于2SD315的短路保護電路

參數(shù)設定:

（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可推出響應時間。

響應時間與定時電容Ca、參考電壓電阻Rth的關系見表1。

表1 SCALE-1的響應時間與Ca、Rth的關系

因為Vth設定為飽和電壓值，電路在應用中易導致驅動器誤保護［1］。

2.3 二代SCALE-2短路保護電路

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IGBT關斷時，內部mosfet打開，Cx上電壓被鉗在COM，比較器不翻轉;

（2）當IGBT進入導通的過程中，內部mosfet關掉，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，經過定時后比較器翻轉。

參數(shù)設定:

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。

響應時間與定時電容Cx、參考電壓電阻Rth的關系見表2。

表2 SCALE-2的響應時間與Ca、Rth的關系

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

3 IGBT有源鉗位電路設計

3.1 有源鉗位電路的設計［4］

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

IGBT正常關斷時也會產生電壓尖峰，但數(shù)值不會太高，如果短路時關斷IGBT，產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TVS被擊穿時，電流IAAC會流進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。當該電流大于40mA時，下管mosfet開始被線性地關斷，當電流大于500mA時，下管mosfet完全關閉。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，從而使關斷電流變緩慢，達到電壓鉗位的效果。這個電路的特點是TVS的負載小，TVS的工作點接近額定點，鉗位的準度高。

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，有源鉗位電路會進入連續(xù)動作狀態(tài)，ASIC有很大風險，此時需應用動態(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置成動態(tài)的，在IGBT導通時，門檻降低為Vth2，在IGBT關斷后，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在導通狀態(tài)和截止狀態(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在關斷瞬間，鉗位門檻是在Vth2。如果母線電壓升高，IGBT在關斷態(tài)時，鉗位電路的門檻又比較高，這樣能較好地解決某些應用中很現(xiàn)實的問題。

4 結論

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

［1］周志敏，周紀海.IGBT和IPM及其應用電路［M］.北京:人民郵電出版社，2006.