基于VEe反饋控制的大功率IGBT軟開關(guān)驅(qū)動(dòng)策略

何怡剛，王建鑫，謝 望，張鐘韜，阮 儀

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是由絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）組合成的新型器件，有效結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)頻率高、飽和壓降低、有很大的耐壓耐流能力以及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車行業(yè)、高速鐵路、電氣領(lǐng)域、新能源發(fā)電等傳統(tǒng)和新興行業(yè)[1]。大功率IGBT被廣泛應(yīng)用在大功率、高開關(guān)頻率的工作條件下，會(huì)產(chǎn)生很大的能量損耗，造成器件溫度過(guò)高，另外在發(fā)生故障情況下不能及時(shí)作出合理的關(guān)斷，損壞器件，造成很大損失等。驅(qū)動(dòng)電路作為連接主電路和控制電路的接口，影響IGBT模塊的工作性能，能夠有效控制IGBT開關(guān)斷時(shí)間、減小開關(guān)損耗、抑制電壓和電流尖峰、防止擎住效應(yīng)，具有電氣隔離和功率放大作用，以及對(duì)IGBT在工作過(guò)程中可能遇到的各種故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)，確保其工作在正常狀態(tài)下[2]。隨著電子器件行業(yè)迅速發(fā)展，大功率IGBT被廣泛應(yīng)用在各種精密條件下，要求IGBT擁有更好的工作性能以適應(yīng)不同工作狀態(tài)。文獻(xiàn)[3]提出的集電極-發(fā)射極電壓VCE退飽和技術(shù)，利用二極管來(lái)檢測(cè)集電極-發(fā)射極電壓VCE，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是當(dāng)IGBT發(fā)生硬短路時(shí)，IGBT一直工作在線性階段，較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間導(dǎo)致IGBT過(guò)電流引發(fā)的過(guò)熱，燒毀IGBT。文獻(xiàn)[4]提出的FPGA數(shù)字式閉環(huán)控制方法，采用數(shù)字編程處理器，控制方便靈活，提高了系統(tǒng)集成度，但是由于需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即D/A轉(zhuǎn)換，對(duì)反應(yīng)速度要求在幾微秒的IGBT來(lái)說(shuō)存在較大延遲，而且由于利用了數(shù)字處理器，電路復(fù)雜，成本較高，不利于量化生產(chǎn)。

IGBT的門極驅(qū)動(dòng)電阻能夠有效抑制門極-發(fā)射極回路中的無(wú)功元件產(chǎn)生的能量消耗，加速門極震蕩衰減，在控制IGBT工作性能方面起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有的IGBT門極驅(qū)動(dòng)電阻多采用固定阻值門極電阻來(lái)開通和關(guān)斷IGBT。根據(jù)IGBT開關(guān)特性可知，較大阻值門極電阻能夠有效控制集電極電壓和電流尖峰、防止擎住效應(yīng)，但是較大阻值電阻會(huì)減緩門極充放電速率、延長(zhǎng)了IGBT開通和關(guān)斷時(shí)間、增大開關(guān)損耗；反之采用較小的門極電阻會(huì)導(dǎo)致集電極電壓和電流尖峰過(guò)高，但是能夠加快門極充放電速率、提高開關(guān)斷速度、減少開關(guān)損耗[5]。在IGBT工作的不同階段來(lái)接入不同阻值電阻對(duì)IGBT工作性能起著重要作用。文獻(xiàn)[6]中提出了改變門極電阻的方法來(lái)改善驅(qū)動(dòng)性能，在正常關(guān)斷情況下采用小電阻來(lái)加快關(guān)斷速度，減小損耗，電流短路情況下采用大電阻來(lái)抑制電流尖峰。但是這種控制策略會(huì)導(dǎo)致正常關(guān)斷情況下的電壓尖峰過(guò)高，而且在短路情況下開關(guān)損耗過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生很高熱量，減少器件使用壽命，損毀IGBT。

針對(duì)目前大功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路研究現(xiàn)狀，有必要提出一種新型的驅(qū)動(dòng)控制策略，提高電子器件的可靠性和使用壽命。本文提出的大功率IGBT多級(jí)門極驅(qū)動(dòng)及故障保護(hù)電路，利用發(fā)射極上寄生電感產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)VEe作為反饋信號(hào)，在大功率IGBT開通和關(guān)斷不同階段接入不同阻值電阻，能夠有效降低開關(guān)損耗，開關(guān)斷時(shí)間以及抑制電壓電流尖峰等優(yōu)點(diǎn)；另外，如果發(fā)生了硬短路故障或者過(guò)壓故障，利用改進(jìn)型有源鉗位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)故障軟關(guān)斷，保護(hù)IGBT。

1 IGBT開關(guān)過(guò)程分析

1.1 IGBT開通過(guò)程分析

IGBT作為一種雙極型功率半導(dǎo)體器件，結(jié)合了絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）的開關(guān)性能特性，開通過(guò)程主要分為三個(gè)階段：開通阻斷階段、電流上升階段和米勒平臺(tái)階段，直至IGBT完全導(dǎo)通。

1）開通阻斷階段：IGBT門極電壓由負(fù)變正，IGBT輸入電容Cies開始充電，根據(jù)電路相關(guān)知識(shí)，

其中τGS≈RG×CGE，充電時(shí)間常數(shù)τGS與門極電阻RG和門極電容CGE有關(guān)；

此時(shí)門極-發(fā)射極電壓VGe電壓開始上升，但是低于導(dǎo)通閾值電壓VGe（th），即0＜VGE＜VGE（th），集電極電流IC=0，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。

2）電流上升階段：門極持續(xù)充電，VGE＞VGE（th），此時(shí)：

集電極電流IC與門極電阻RG和門極電容CGE有關(guān)；此時(shí)IGBT開始導(dǎo)通，IC逐漸增大，產(chǎn)生電流尖峰。

3）米勒平臺(tái)階段：集電極電流由于二極管反向恢復(fù)作用電流下降到負(fù)載電流大小并保持不變，τGS=充電時(shí)間常數(shù)τGS與門極電阻RG和輸入電容Cies有關(guān)[7]。

1.2 IGBT關(guān)斷過(guò)程分析

IGBT關(guān)斷過(guò)程主要分為三個(gè)階段：關(guān)斷延遲階段、米勒平臺(tái)階段和電流下降階段，直至IGBT完全關(guān)斷。

1）關(guān)斷延遲階段：當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路提供的恒定電壓變?yōu)樨?fù)向時(shí)，IGBT開始關(guān)斷，門極電壓開始下降：

門極電壓VGE下降到米勒電壓時(shí)，即VGE=VGC，IGBT進(jìn)入有源區(qū)。

2）米勒平臺(tái)階段：由于米勒電容CGC減小，集電極電壓VCE迅速上升，直至直流母線電壓值。

3）電流下降階段：門極電壓VGE開始下降，時(shí)間常數(shù)τGS變小，集電極電流開始下降：

隨著集電極電流IC減小，門極電壓VGE繼續(xù)減小，直至IGBT完全關(guān)斷[7]。

結(jié)合以上開通和關(guān)斷過(guò)程分析可知，小阻值門極電阻能夠縮短米勒平臺(tái)持續(xù)時(shí)間，大阻值電阻能夠減緩集電極電流變化速率，有效抑制了開通過(guò)電流和關(guān)斷過(guò)電壓的情況。

1.3 IGBT硬短路及過(guò)壓故障分析

當(dāng)IGBT發(fā)生硬短路時(shí)，短路電流極大，長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電流會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱損毀IGBT；另外集電極電流短時(shí)間內(nèi)迅速變化，由電感和電流以及電壓之間的關(guān)系可知，寄生電感LEe上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)先負(fù)后正的感生電動(dòng)勢(shì)VEe，在關(guān)斷階段，感生電動(dòng)勢(shì)VEe會(huì)施加在母線電壓上，導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓VCE過(guò)大，引起過(guò)壓故障，擊穿IGBT。

2 驅(qū)動(dòng)方案分析

通過(guò)對(duì)IGBT開關(guān)過(guò)程分析，在開關(guān)過(guò)程中為了降低電流電壓尖峰以及減少開關(guān)斷時(shí)間和損耗，提出一種分階段門極電阻接入方法，能夠有效改善IGBT開關(guān)性能，并且加入了改進(jìn)有源鉗位電路，能夠?qū)崿F(xiàn)故障軟關(guān)斷，保護(hù)IGBT。如圖1所示，驅(qū)動(dòng)控制模塊輸出PWM信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)功率模塊提供IGBT開通和關(guān)斷電壓，利用大功率IGBT芯片發(fā)射極寄生電感上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)來(lái)作為反饋信號(hào)，利用電壓比較電路來(lái)選擇不同阻值電阻和故障關(guān)斷。

圖1 驅(qū)動(dòng)電路示意圖

2.1 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)功率模塊包括推挽變換電路和穩(wěn)壓電路。推挽變換電路的輸出端與穩(wěn)壓電路的輸入端相連，推挽變換電路根據(jù)驅(qū)動(dòng)控制模塊的PWM脈沖信號(hào)控制推挽變換電路內(nèi)開關(guān)管的導(dǎo)通，從而將推挽變換電路內(nèi)開關(guān)管的輸入電壓轉(zhuǎn)換為斬波信號(hào)，斬波信號(hào)再經(jīng)推挽變換電路內(nèi)變壓器的原邊傳遞到變壓器的副邊，通過(guò)變壓器的副邊連接到穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路斬波信號(hào)變?yōu)镮GBT的開通或關(guān)斷電壓傳遞到開關(guān)電路模塊，為IGBT提供±15V的開通和關(guān)斷電壓Vout。

圖2 驅(qū)動(dòng)模塊示意圖

2.2 門極電阻選擇模塊

驅(qū)動(dòng)電阻選擇模塊主要包括電壓比較模塊和電阻選擇模塊，當(dāng)集電極電流發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)發(fā)射極上寄生電感的電流發(fā)生相應(yīng)變化，因此選取發(fā)射極寄生電感上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)VEe作為反饋信號(hào)。有前文可知，根據(jù)IGBT開關(guān)特性，當(dāng)集電極電流IC變化較小時(shí)，即處于圖3中t0～t1、t2～t4、t5～t6、t7～t8階段，寄生電感上產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)VEe也較小，此時(shí)我們需要一個(gè)較小阻值的電阻來(lái)加快這一過(guò)程，減小開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗；當(dāng)集電極電流變化較大時(shí)，即處于圖3中t1～t2、t6～t7階段，產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)較大，此時(shí)我們需要一個(gè)較大阻值的電阻來(lái)降低電壓電流尖峰。

圖3 開關(guān)過(guò)程示意圖

如圖4所示，正常運(yùn)行時(shí)，利用兩個(gè)1/4lm339電壓比較器組成的雙限比較器輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q1導(dǎo)通；若IGBT處于開通階段，驅(qū)動(dòng)電壓Vout為正向電壓，經(jīng)過(guò)1號(hào)1/4lm339型電壓比較器判斷后輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q2導(dǎo)通，開通支路導(dǎo)通；當(dāng)集電極電流變化較小或減小時(shí)，即VEe小于約等于零時(shí)，對(duì)應(yīng)圖3(a)中t0～t1和t2～t4階段，此時(shí)感生電動(dòng)勢(shì)VEe傳遞到2號(hào)1/4lm339型電壓比較器輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q3導(dǎo)通，電阻Ron1接入門極，減少開通時(shí)間；當(dāng)集電極電流變化較大時(shí)，對(duì)應(yīng)圖3(a)中t1～t2階段，2號(hào)電壓比較器輸出低電平，P型MOS開關(guān)管Q4導(dǎo)通，電阻Ron2接入門極，降低電流尖峰。

圖4 門極電阻選擇模塊

正常運(yùn)行時(shí)若IGBT處于關(guān)斷階段，驅(qū)動(dòng)電壓Vout為負(fù)向電壓，經(jīng)過(guò)1號(hào)電壓比較器判斷后輸出低電平，P型MOS開關(guān)管Q5導(dǎo)通，關(guān)斷支路導(dǎo)通；當(dāng)集電極電流變化較小時(shí)，對(duì)應(yīng)圖4(b)中t5～t6和t7～t8階段，3號(hào)lm339型電壓比較器輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q6導(dǎo)通，電阻Roff1接入門極，減少關(guān)斷時(shí)間;當(dāng)集電極電流變化較大時(shí)，對(duì)應(yīng)圖4(b)中t6～t7階段，2號(hào)電壓比較器輸出低電平，P型MOS開關(guān)管Q7導(dǎo)通，電阻Roff2接入門極,降低電壓尖峰。

IGBT發(fā)生硬短路故障時(shí)，集電極電流IC變化極大，根據(jù)公式V=L×di/dt，會(huì)在寄生電感上產(chǎn)生一個(gè)數(shù)值很大的先負(fù)后正的感生電動(dòng)勢(shì)VEe，在關(guān)斷過(guò)程中還會(huì)造成過(guò)壓故障，損傷IGBT[8]。由于短路故障時(shí)感生電動(dòng)勢(shì)VEe超過(guò)了雙限比較器上下限極值電壓，通過(guò)雙限比較器判斷后輸出低電平，P型MOS開關(guān)管Q8導(dǎo)通，控制模塊輸出關(guān)斷電壓，電阻Rsc1接入門極；傳統(tǒng)有源鉗位電路利用TVS管，當(dāng)集電極電壓高于TVS管雪崩擊穿電壓時(shí)導(dǎo)通，集電極電流通過(guò)TVS管流入門極，加快關(guān)斷過(guò)程，但是由于電阻Rsc1側(cè)電壓電位更低，大部分電流會(huì)流過(guò)電阻Rsc1，鉗位效果偏低；改進(jìn)型有源鉗位電路在電阻Rsc1側(cè)加上一個(gè)限流電路，當(dāng)電流小于閾值時(shí)，由R1提供N型MOS開關(guān)管Q9的偏置電流，使其導(dǎo)通，對(duì)電流不起控制作用；當(dāng)電流大于或等于閾值時(shí)，R3上的壓降增大，R3上的壓降與三極管結(jié)壓的和接近R2的壓降，于是開始限制N型MOS開關(guān)管Q9通過(guò)的電流，這樣就把電流限制在一定的水平，限制補(bǔ)償電流流過(guò)電阻Rsc1。另外，隨著故障保護(hù)電路發(fā)揮作用，IGBT處于關(guān)斷階段，集電極電流逐漸變小，流過(guò)電阻Rsc1的電流也逐漸變小，此時(shí)我們需要小一點(diǎn)的門極電阻來(lái)加快關(guān)斷過(guò)程，減少關(guān)斷損耗。將電阻Rsc1的電壓作為反饋信號(hào)傳遞到4號(hào)電壓比較器上，若流過(guò)電阻Rsc1的電流較大，則其電壓也相應(yīng)較大，此時(shí)輸出低電平，N型MOS開關(guān)管Q10關(guān)斷；若流過(guò)電阻Rsc1的電流較小，則其電壓也相應(yīng)較小大，此時(shí)輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q10導(dǎo)通，電阻Rsc2接入電路，與電阻Rsc1并聯(lián)后阻值變小，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)軟關(guān)斷。

3 仿真分析

本文采用英飛凌FZ1500R33HE3型號(hào)大功率IGBT，在Saber仿真軟件中搭建該型號(hào)IGBT模型，通過(guò)反饋信號(hào)VEe控制改變門極電阻以及改進(jìn)有源鉗位電路來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。

3.1 確定發(fā)射極寄生電感LEe

本文采用發(fā)射極寄生電感的感生電動(dòng)勢(shì)作為反饋信號(hào)，求取LEe通常采用短路測(cè)試實(shí)驗(yàn)[9]。短路測(cè)試實(shí)驗(yàn)是將IGBT上橋臂用銅排短接如圖5 所示，測(cè)出ΔIC=5231A，VEe=-14.1v,Δt=3.7μs。由公式：V=L ×di/dt得LEe=9.9nH。

圖5 短路實(shí)驗(yàn)

3.2 開通仿真分析

基于saber仿真軟件開通仿真，母線電壓取1800V，Ron1=0.8Ω，Ron2=5.3Ω。仿真結(jié)果如圖6所示，并提取特征值列于表1，ton表示開通時(shí)間，tmiller表示米勒平臺(tái)持續(xù)時(shí)間。

圖6 開通過(guò)程仿真

表1 開通仿真特征值

如圖5所示，采用變電阻開通IGBT，能夠有效降低小電阻開通模式下IC尖峰電流，并且相對(duì)于大電阻開通，降低了米勒平臺(tái)持續(xù)時(shí)間，加快開通過(guò)程，減少開通損耗。

3.3 關(guān)斷過(guò)程仿真

關(guān)斷過(guò)程與開通過(guò)程仿真條件不變，Roff1=2Ω，Roff2=7.5Ω。仿真結(jié)果如圖7所示，并提取特征值列于表2，toff表示開通時(shí)間，tmiller表示米勒平臺(tái)持續(xù)時(shí)間。

圖7 關(guān)斷過(guò)程仿真

表2 關(guān)斷仿真特征值

如圖6所示，采用變電阻關(guān)斷IGBT，能夠有效降低小電阻關(guān)斷模式下dIC/dt下降速度，抑制了電壓尖峰，并且相對(duì)于大電阻關(guān)斷，降低了米勒平臺(tái)持續(xù)時(shí)間，加快關(guān)斷過(guò)程，減少關(guān)斷損耗。

3.4 故障仿真分析

基于IGBT發(fā)生硬短路故障，Rsc1=100Ω，Rsc2=20Ω。仿真結(jié)果如圖8所示，并提取特征值列于表3，VCE，max表示集電極-發(fā)射極電壓峰值，ISC，max表示短路電流峰值，t表示總開關(guān)時(shí)間。

表3 故障仿真特征值

圖8 故障仿真

如圖8所示，改進(jìn)有源鉗位電路和傳統(tǒng)有源鉗位電路都能夠降低VCE峰值，將電壓鉗位在1800V上下，避免過(guò)壓故障損壞IGBT；另外，改進(jìn)有源鉗位電路相較于傳統(tǒng)有源鉗位電路能夠減少總開關(guān)時(shí)間，降低開關(guān)損耗，有效避免IGBT過(guò)熱損毀。

4 實(shí)驗(yàn)分析

搭建雙脈沖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用英飛凌FZ1500R33HE3型號(hào)大功率IGBT，母線電壓為1800V，實(shí)驗(yàn)采用的電阻，電感等元器件參數(shù)與仿真相同，采用驅(qū)動(dòng)控制器啟動(dòng)后，實(shí)測(cè)波形如圖9～圖13所示，并提取特征值列如表4、表5所示。

表4 開關(guān)過(guò)程實(shí)驗(yàn)特征值

表5 故障實(shí)驗(yàn)特征值

圖9 Ron1開關(guān)過(guò)程

圖10 Ron2開關(guān)過(guò)程

圖11 變電阻開關(guān)過(guò)程

圖12 傳統(tǒng)有源鉗位

圖13 改進(jìn)型有源鉗位

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)檢測(cè)驗(yàn)感生電動(dòng)勢(shì)來(lái)分階段選擇不同門極電阻能夠有效改善小電阻啟動(dòng)下過(guò)高的電壓電流尖峰；并且較之大電阻啟動(dòng)，開關(guān)時(shí)間明顯縮短，減少了開關(guān)損耗。硬短路情況下采用軟關(guān)斷策略來(lái)加快關(guān)斷，并且通過(guò)改進(jìn)型有源鉗位鉗位集電極-發(fā)射極電壓，防止過(guò)壓故障損壞IGBT。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果近似相同，驗(yàn)證了本保護(hù)方案具有可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)大功率IGBT開關(guān)特性，利用集電極-發(fā)射極上寄生電感產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)作為反饋信號(hào)，通過(guò)電壓判斷電路來(lái)選擇門極電阻，提出了一種分階段改變門極電阻的驅(qū)動(dòng)方案，能夠有效地降低電壓電流尖峰以及減少開關(guān)斷時(shí)間；并基于反饋信號(hào)來(lái)判斷硬短路和過(guò)壓故障，實(shí)現(xiàn)故障情況下軟關(guān)斷，保護(hù)IGBT。最后通過(guò)Saber仿真和雙脈沖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)方案的合理性。