大功率IGBT模塊軟關(guān)斷短路保護(hù)策略

姚文海，程善美，孫得金

（1.華中科技大學(xué)自動化學(xué)院，湖北武漢430074；2.武漢征原電氣有限公司，湖北武漢430012）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率IGBT模塊越來越廣泛地運用于電力電子設(shè)備中。IGBT 的可靠運行是電力電子系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。IGBT 短路時電流大，功耗大，如果不能迅速采取保護(hù)措施IGBT 可能會被熱擊穿。

由于連接IGBT 模塊的母線存在雜散電感，如果IGBT 關(guān)斷速度過快，會產(chǎn)生較大的關(guān)斷尖峰電壓，該尖峰電壓會損壞IGBT 模塊。對于大功率的IGBT 模塊，實際使用時較少采用緩沖電路，一般采用TVS 鉗位電路限制IGBT 關(guān)斷時的電壓尖峰。

本文結(jié)合IGBT 的工作特性和驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)，提出一種基于改變門極電壓和電阻的軟關(guān)斷策略，當(dāng)驅(qū)動器檢測到短路后立即緩慢降低IGBT 門極電壓，從而限制IGBT 短路時間、短路電流、短路功耗和關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓，有效保護(hù)IGBT模塊。

2 IGBT短路分析

IGBT主要有兩類短路情況，一類是硬短路；另一類是軟短路。

硬短路主要是指IGBT 在回路中負(fù)載極小，IGBT一開通就短路的情況［1］，一般系統(tǒng)中發(fā)生的硬短路主要是IGBT上下橋臂直通。軟短路主要指IGBT工作在小負(fù)載回路中或正常開通后發(fā)生短路的情況。

IGBT 發(fā)生硬短路后的工作狀態(tài)如圖1a 所示。IGBT開通后，電流以極大的速率上升，此時限制IGBT電流上升率的只有IGBT的開通速度，大功率IGBT模塊的硬短路電流上升率有數(shù)千A/μs。IGBT集電極和發(fā)射極電壓VCE小幅度下降后會上升并短暫地超過母線電壓，之后穩(wěn)定在母線電壓值。門極電壓在電流上升到最大時會超過驅(qū)動電壓，之后穩(wěn)定在驅(qū)動電壓值。

IGBT 發(fā)生軟短路后的工作狀態(tài)如圖1b 所示，IGBT 開始工作在飽和區(qū)，IGBT 電流不斷升高的同時VCE也會隨著升高，只是幅度非常小不易觀察到。當(dāng)電流上升到一定值后，IGBT 開始進(jìn)入退飽和區(qū)，VCE開始以較慢的速度上升，經(jīng)過一小段時間后VCE上升速率明顯加大，VCE迅速上升并超過母線電壓，之后下降到母線電壓值并保持不變。

圖1 IGBT短路特性Fig.1 IGBT short-circuit characteristic

IGBT 發(fā)生硬短路和軟短路時的電流值是額定電流的數(shù)倍乃至十幾倍，且與門極電壓VGE、集射極電壓VCE存在正相關(guān)的關(guān)系。驅(qū)動器檢測到短路后會執(zhí)行保護(hù)動作，如果直接關(guān)斷IGBT 會產(chǎn)生非常高的關(guān)斷尖峰電壓，如圖1 所示。如果不采取保護(hù)措施，IGBT將會被擊穿。

3 軟關(guān)斷實現(xiàn)原理

IGBT 的簡化模型如圖2 所示，IGBT 內(nèi)部存在3 個寄生電容CGE，CCE，CCG。IGBT 開通和關(guān)斷的過程就是對門極電容CGE充電和放電的過程。驅(qū)動器通過調(diào)節(jié)對門極電容CGE充電和放電的速度就可以控制IGBT開通和關(guān)斷的速度。

圖2 IGBT的簡化模型Fig.2 Simplified model of IGBT

IGBT 發(fā)生短路時，IGBT 工作在線性區(qū)，流過的最大電流是額定值的數(shù)倍乃至十幾倍，且與門極電壓VGE有較大關(guān)系［2］，因此限制住IGBT 的門極電壓就能限制IGBT 的短路電流。IGBT 承受短路的時間也與門極電壓VGE存在一定的關(guān)系。門極電壓越高，IGBT短路電流越大，如果母線電壓值一定，則單位時間內(nèi)門極電壓越高的IGBT 產(chǎn)生的功耗就越大，IGBT 能夠承受的短路時間就越短。圖3為IGBT生產(chǎn)廠家給出的IGBT能承受的最大短路時間與VGE的一般關(guān)系［3］。

圖3 IGBT承受短路時間與門極電壓關(guān)系圖Fig.3 The relation between short-circuit time allowed and VGE

當(dāng)驅(qū)動器檢測到IGBT發(fā)生短路后不能立即關(guān)斷IGBT，因為如果IGBT 發(fā)生軟短路，此時電流還處在上升階段，直接關(guān)斷IGBT 會使門極電壓迅速下降，為了滿足電流要求，IGBT的集射極電壓VCE會被迫迅速上升并超過母線電壓，且極有可能會超過IGBT 耐壓值而導(dǎo)致IGBT 損壞。因此，如果使用硬關(guān)斷策略保護(hù)IGBT，驅(qū)動器檢測到短路后需要等待一定時間，直到IGBT 退飽和使得VCE穩(wěn)定在母線電壓值后方可關(guān)斷IGBT。

IGBT關(guān)斷時，因為母線上存在雜散電感，IGBT電流減小會在雜散電感上產(chǎn)生一個感應(yīng)電壓：

此電壓與母線電壓疊加在一起加在IGBT模塊上。如果電流下降過快，產(chǎn)生的關(guān)斷尖峰電壓就非常高，若不采取保護(hù)措施，其足以擊穿IGBT模塊。

為了保護(hù)處于短路狀態(tài)的IGBT模塊，本文提出了慢降柵極電壓的軟關(guān)斷策略。其核心思想是緩慢降低IGBT短路時的門極電壓。在檢測到IGBT 發(fā)生短路后，緩慢地減小IGBT 的門極電壓VGE，則IGBT集射極電壓VCE被迫上升的速率會比直接關(guān)斷IGBT的小得多且能夠保證VCE只會小幅度超過母線電壓，最后穩(wěn)定在母線電壓值。隨著門極電壓的緩慢減小，IGBT短路電流也會緩慢地減小，雜散電感上感應(yīng)的電壓會非常小。如果能將門極電壓緩慢地減小到IGBT開通閾值電壓之下，IGBT的電流會緩慢減小到0，IGBT完全關(guān)斷。

當(dāng)驅(qū)動器檢測到IGBT 發(fā)生短路后，可以立即執(zhí)行軟關(guān)斷動作，緩慢減小IGBT 門極電壓而不需要等待VCE穩(wěn)定在母線電壓。軟關(guān)斷持續(xù)足夠長的時間，在軟關(guān)斷過程中IGBT 電流完全下降到0，即IGBT 完全關(guān)斷。這樣既能保證IGBT的短路時間不超過允許范圍，又能減小IGBT短路電流和短路功耗，并且大大減小關(guān)斷尖峰電壓。

大功率IGBT 模塊驅(qū)動器一般選擇+15 V/-15 V作為開通/關(guān)斷電壓，通過調(diào)節(jié)門極電阻RG控制IGBT 模塊的開通和關(guān)斷速度。圖4a 為IGBT 正常開通狀態(tài)。驅(qū)動器檢測到IGBT 發(fā)生短路后，如果能將驅(qū)動器的G極和E極同時接地，即此時驅(qū)動器提供的驅(qū)動電壓為0 V，并使用一個合適的電阻（十幾Ω至幾十Ω）使IGBT 門極電容CGE通過Rgst放電，如圖4b 所示，就能使門極電壓緩慢下降，電流也會隨著門極電壓的下降而緩慢下降。軟關(guān)斷過程結(jié)束后可以正常關(guān)斷IGBT，如圖4c所示。

圖4 軟關(guān)斷策略實現(xiàn)原理Fig.4 The schematic of soft-turn-off

4 實驗結(jié)果

針對4500V/900A等級IGBT模塊CM900HC-90H進(jìn)行短路實驗。硬短路實驗條件為母線電壓UDC=2 700 V，使用銅排短接上橋臂IGBT 模塊模擬硬短路。軟短路實驗條件為母線電壓UDC=2 700 V，使用小電感Ll=4 μH與上橋臂IGBT模塊并聯(lián)。兩類短路實驗中上橋臂IGBT 模塊均接-15 V恒關(guān)斷。

圖5 為使用硬關(guān)斷策略保護(hù)IGBT 模塊的實驗波形。圖5a 為硬短路實驗結(jié)果，圖5b 為軟短路實驗結(jié)果。如圖5 所示，使用硬關(guān)斷策略驅(qū)動器檢測到IGBT發(fā)生短路后都會等待一段合適的時間，當(dāng)VCE基本穩(wěn)定在母線電壓后才關(guān)斷IGBT。實驗中使用8 個1.5KE400A 型TVS 組成TVS 鉗位電路鉗位關(guān)斷尖峰電壓，保護(hù)IGBT。圖5a 中VCE最大值達(dá)到3 760 V，圖5b 中VCE最大值達(dá)到3 800 V。

圖5 硬關(guān)斷實驗波形Fig.5 Waveforms of hard turn-off experiment

圖6 為使用軟關(guān)斷策略保護(hù)IGBT 的實驗波形。圖6a 為硬短路實驗結(jié)果，圖6b 為軟短路實驗結(jié)果。IGBT發(fā)生硬短路后驅(qū)動器通過di/dt檢測方法檢測到IGBT 硬短路狀態(tài)，立即采用軟關(guān)斷策略緩慢降低門極電壓，實現(xiàn)方法如圖4 所示。當(dāng)驅(qū)動器執(zhí)行軟關(guān)斷保護(hù)動作后，VCE上升速率會有小幅度的增加，但是完全可以接受。VCE超過母線電壓的幅度非常小，只有172 V。電流下降在雜散電感上產(chǎn)生的電壓基本為0。IGBT 發(fā)生軟短路后驅(qū)動器也立即采取軟關(guān)斷措施，情況與硬短路時相似。

觀察波形也可發(fā)現(xiàn)，采用軟關(guān)斷策略，驅(qū)動器在檢測短路后立即采取保護(hù)措施，不僅降低門極電壓，IGBT 短路電流也大大減小。采用硬關(guān)斷策略時IGBT硬短路狀態(tài)最大電流11 280 A，軟短路狀態(tài)最大電流11 120 A。而采用軟關(guān)斷策略時IGBT 硬短路狀態(tài)最大電流6 083 A，軟短路狀態(tài)最大電流6 683 A。

圖6 軟關(guān)斷實驗波形Fig.6 Waveforms of soft turn-off experiment

通過實驗對比可知，使用軟關(guān)斷策略保護(hù)IGBT，驅(qū)動器檢測到短路狀態(tài)時可以立即采取措施，不需要經(jīng)過額外的等待時間；采用軟關(guān)斷策略，可以大大降低關(guān)斷尖峰電壓，不需要額外的TVS 鉗位電路；大大減小IGBT 在短路工作時的功耗，避免IGBT過熱損壞；配合驅(qū)動器快速檢測IGBT 短路的功能，大大減小IGBT 短路時的電流。因此，軟關(guān)斷策略是一種理想的IGBT 短路保護(hù)策略。

5 結(jié)論

結(jié)合IGBT 簡化模型，提出了使用軟關(guān)斷保護(hù)IGBT短路的策略。該策略可以讓驅(qū)動器一旦檢測到短路狀態(tài)就立即實施保護(hù)動作，限制IGBT短路電流和短路功耗，并減小關(guān)斷尖峰電壓，完全不需要額外的TVS 鉗位電路進(jìn)行鉗位保護(hù)。通過調(diào)整軟關(guān)斷電阻的大小可以調(diào)節(jié)軟關(guān)斷速度的快慢，使IGBT 工作于最佳狀態(tài)。該策略在大功率IGBT 應(yīng)用中非常合適，可以安全可靠地保護(hù)IGBT 模塊，保證電力電子設(shè)備的正常運行。

［1］Lutz J，Basler T.Short-circuit Ruggedness of High-voltage IGBTs［C］// 28th International Conference on Microelectronics，Serbia，2012：243-250.

［2］Hefner A R.An Experimentally Verified IGBT Model Implemented in the Saber Simulator［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1994，9（5）：532-542.

［3］Michael Hornkamp.IGBT Protection with Concept［R］.Switzerland：Concept，2009.