基于多等級動態柵電阻的IGBT過電壓抑制策略

王亮亮，楊 媛，高 勇，，魏小源（.西安工程大學 陜西 西安 70048；.西安理工大學 陜西 西安 70048）

基于多等級動態柵電阻的IGBT過電壓抑制策略

王亮亮1，楊 媛2，高 勇1，2，魏小源2
（1.西安工程大學 陜西 西安 710048；2.西安理工大學 陜西 西安 710048）

為了抑制大功率絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊在短路情況下的硬關斷所產生的過高尖峰電壓，提出了一種基于多等級動態柵電阻的軟關斷策略，并給出了該策略的具體實現方法。通過3300V/1200A IGBT模塊的短路實驗證明了此策略可以使驅動器更早地采取保護措施，限制 的短路電流和短路功耗，減小了關斷尖峰電壓，達到了設計要求。關鍵詞：IGBT；短路；軟關斷；過電壓

目前，以大功率模塊為核心的變流器在新能源發電、電力傳輸及軌道交通等領域被廣泛應用，其驅動器的性能是的性能和變流器系統安全穩定運行的關鍵［1］。由于大功率工作在高電壓、大電流的惡劣環境之下，常常因各種原因超出安全工作區而縮短器件的壽命或發生失效損壞［2］。其中關斷時受系統回路雜散電感的影響，產生的集電極-發射極間的浪涌過電壓是影響安全運行的重要因素之一，尤其是當短路關斷時產生的過電壓會更高，再與母線電壓相疊加，極易超過其額定電壓而損壞。在短路時能否快速地檢測到短路故障并配合適當的軟關斷措施保護是驅動器性能好壞的重要指標。限制集電極-發射極過電壓的方法主要有：采用無源緩沖網絡、基于瞬態抑制二極管的有源箝位電路及增大的柵極關斷電阻等［3］。

本文結合大功率的短路特性，通過分析和總結現有軟關斷措施的優缺點，提出了一種新的多等級動態柵電阻的軟關斷策略，通過實驗驗證了其在短路時可大大減小關斷過電壓、限制短路電流及短路功耗，能夠可靠、安全地保護模塊。

1　IGBT的短路

短路是指功率回路中的負載出現短路或橋式系統中某個橋臂發生直通后，電流快速上升，而產生的倍額定值的大負載電流。絕大情況的短路，母線電壓都是在額定點，“短路回路中的電感量”是影響短路電流的主要因素，因此依據短路回路中的電感量大小，可將其分為一類短路和二類短路［4］。

一類短路是本身處于已經短路的負載回路中，短路回路中的電感量很小（100nH級），比如橋臂直通。發生一類短路后的工作特性如圖1a所示。當導通時，直流母線的所有電壓都集中在上，集電極電流迅速上升，由于短路回路中寄生電感的存在，其表現為集電極-發射極電壓小幅下降后又上升并短暫地超過母線電壓，之后穩定在直流母線電壓值。二類短路是在導通狀態下發生短路，這類短路的回路中的電感量是不確定的（μH級），比如絕緣失效或誤接線引起的相間短路或相對地短路。相比一類短路，受到的沖擊更大，此類短路特性如圖1b所示，先工作在飽和區，在時間段1內，快速脫離飽和區，集電極-發射極電壓迅速上升，最終穩定在直流母線電壓［5］。

2　IGBT的過電壓及傳統軟關斷

由上述分析可知，在短路時會產生8～10倍額定值的大負載電流。當驅動器檢測到該短路并關斷IGBT時，電流的dic/dt會非常高，比關斷額定電流要高很多，這在回路負載中的寄生電感上會感應出很高的浪涌電壓VLs，其中Ls為回路電感［6］。

圖1　IGBT短路工作特性

VLs與母線電壓VDC相疊加，會出現很高的關斷尖峰電壓，如圖2所示。這就有可能出現，驅動器發現了的短路現象，并且也及時關斷，但是由于dic/dt太高，產生了非常高的電壓尖峰，在關斷該短路電流后仍然可以打壞［7］。顯然，性能良好的軟關斷策略是非常必要的。由公式（1）可知，IGBT關斷時的過電壓尖峰與集電極電流ic的變化率成正比，若能優化IGBT短路時8～10倍大負載電流的軟關斷，則電流的下降速率就會變低，關斷引起的過壓尖峰也會減小，進而可以確保IGBT更加安全地關斷。

圖2　IGBT的浪涌電壓波形

基于上述分析，目前傳統的過電壓保護主要是采用無源緩沖網絡和有源箝位電路的軟關斷方式。

無源緩沖網絡一般由電容、電阻、電感、二級管等無緣器件構成［8］。無源緩沖網絡中的電容會吸收開關過程中電感中存儲的能量，可減小感應的電壓尖峰。為能維護網絡的穩定運行，所吸收的能量應在兩個充電過程之間通過電阻和二級管釋放或回饋給母線電容［9］。雖然無源緩沖網絡可以對IGBT的短路大負載電流實現軟關斷，降低關斷電壓尖峰，但由于其一般由電容、電阻、電感、二級管等無緣器件構成，器件體積大而且關斷時會造成電壓震蕩，對于大功率的IGBT模塊，實際產品中幾乎不使用。

目前，多數大功率IGBT驅動器都是采用有源箝位實現［10-11］，如圖3所示，其工作原理是用穩壓二極管將集電極電壓的變化直接反饋到柵極，IGBT關斷時，如果集電極-發射極的浪涌過電壓尖峰高于預設TVS的雪崩擊穿電壓后，VCE就會被箝位于所設定的電壓平臺如圖4所示，同時有電流it從集電極通過TVS管注入柵極給柵極電容充電，從而柵極電壓被抬高，延長了IGBT柵壓的下降時間，減緩了IGBT的關斷速度，即集電極電流變化速率dic/dt變小，由公式1-1可知其在負載寄生電感上產生的感應電壓VLs減小從而減小IGBT尖峰電壓，確保不超過其額定電壓。但是，這種保護方法有個致命的缺點就是當母線電壓波動 （風力發電產生的電壓不穩、機車牽引中電網電壓的異常及HVDC應用中，系統失效時，功率單元母線電壓被整流且抬升）時會導致半橋結構上下管直通［12-13］。具體機理如圖3所示，在半橋模式中，當上管開通時，下管理論上是關閉的，但是當母線電壓不穩出現波動時，下管就會被抬高，一旦高于下管TVS的雪崩擊穿電壓，同樣有電流給下管柵極-發射極電容充電，如果下管柵極-發射極電壓因此上升，并超過其開啟閾值電壓，下管將會被誤觸發，甚至可能會出現橋臂直接導通的風險［14-15］。

圖3　有源箝位原理圖

圖4　有源箝位動作過程

3　多等級動態柵電阻的軟關斷實現

通過對傳統軟關斷策略的分析和總結，針對其存在的不足，提出一種多等級動態柵電阻的軟關斷新方法，由8個開關管各連接一個驅動電阻，采用+15 V單電源供電且通過數字控制器CPLD控制8個開關的組合導通為大功率IGBT模塊提供+15開通和-15 V關斷電壓，例如G2和E1開通，VGE= 15 V；E0和G3開通，則VGE=-15 V。結構示意圖如圖5所示。

圖5　多等級動態柵電阻軟關斷原理

其軟關斷核心思想是無論IGBT正常關斷還是短路關斷，數字控制器CPLD都會根據IGBT關斷時的不同階段，控制8個MOS開關管進而調節關斷時不同階段的柵極電阻大小緩慢降低柵極驅動電壓，使得關斷集電極電流變化率較緩慢，不至于產生很大的浪涌電壓，最終限制了集電極-發射極間的電壓。具體的軟關斷策略如表1所示，正常軟關斷時，①CPLD控制G3G5G7和E0全部開通且持續300 ns，相當于使用一個最小的柵極關斷電阻RG對IGBT的柵極電容放電；②控制G7和E0開通并持續4.5 μs，使驅動電阻變為較大的值，緩慢降低柵極驅動電壓進而限制了IGBT的關斷過電壓；③使關斷電阻值切換為初始的最小驅動電阻，加速電荷的抽取，減小拖尾電流的時間，完全軟關斷IGBT，確保IGBT不會因關斷過電壓而損壞。同理，在檢測到IGBT發生短路后，1）主控芯片CPLD先控制柵極通過G2與15 V保持相接而斷開發射極與電源的連接，緩慢降低IGBT的門極電壓VGE，限制IGBT的短路電流；2）延時200 ns后控制G5和E1開通，相當于將IGBT的G極和E極通過一個合適的門極關斷電阻與地相接，門極輸入電容僅通過該電阻自然放電，進而使門極電壓VGE更加緩慢的下降，隨著門極電壓的緩慢減小，IGBT短路電流也會緩慢地減小，雜散電感上感應的電壓會非常小，保證VCE只會小幅度超過母線電壓，最后穩定在母線電壓值；3）延時6.5 μs后門極電壓已經緩慢地減小到IGBT的開通閾值電壓之下，此時控制G3G5G7和E0全部開通使關斷電阻值切換為初始的最小驅動電阻，完全軟關斷。

表1　軟關斷策略實現原理

本文提出的多等級動態柵電阻的軟關斷新方法，在驅動器檢測到發生短路后，就可以立即執行軟關斷動作，緩慢降低門極電壓減小短路電流及其變化率而不需要等待VCE穩定在母線電壓。CPLD控制軟關斷持續足夠長的時間，確保軟關斷過程中IGBT電流就完全減小到零，即IGBT完全軟關斷。這樣既能大大減小短路關斷電壓尖峰，又能降低的短路電流，確保短路時間不超過允許范圍，安全可靠地保護了IGBT模塊。

4　實驗結果與分析

為了驗證本文提出的多等級動態柵電阻軟關斷控制策略的可行性及優越性，搭建了高壓實驗平臺采用 3 300 V/ 1 200 A的模塊進行短路實驗。一類短路實驗母線電壓為1 600 V，上管的門級被關斷，且用粗短的銅排將其短路。對下管的施加一個的單脈沖信號，直通就形成。二類短路實驗母線電壓同樣為1 600 V，上管的門極被-15 V關斷，且給上管并聯一個4 μH的電感作為負載，下橋臂通過驅動器釋放一個15 μs的單脈沖就形成二類短路［16］。

圖6所示為采用多等級動態柵電阻軟關斷策略保護IGBT短路的實驗波形。圖6a為一類短路實驗波形，當驅動器檢測到IGBT發生一類短路后，立即采用表一提出的軟關斷實現方法慢降柵壓關斷IGBT，由圖可看出，集電極-發射極電壓VCE超過母線電壓的幅值非常低，即電流下降速率在雜散電感上產生的電壓僅有179 V，且將電流最大值限制在3.16 kA，短路持續時間為2 μs，短路損耗約5 J。圖6b為二類短路實驗波形，當驅動器檢測到發生二類短路后，同樣采取與一類短路相似的軟關斷策略，由圖可知VCE超過母線電壓的幅值也很低不足400 V，且將電流最大值限制在4.2 kA，短路損耗約7 J。

通過對兩類短路實驗波形的分析可知，采用多等級動態柵電阻軟關斷策略保護IGBT，在驅動器檢測到短路狀態后，就可以立即執行關斷動作，不需要等待VCE穩定到母線電壓值，使短路關斷過電壓非常小；由短路波形還可看出短路電流不到額定值的4倍，即大大減小了的短路電流且短路狀態的功耗也非常低，避免IGBT過熱損壞；采用新方法避免了傳統有源箝位，在電網波動時導致半橋上下管直通的風險。因此，本文所提策略是一種理想的限制短路關斷過電壓的方法，可最佳地保護IGBT模塊。

圖6　軟關斷實驗波形

5　結　論

結合大功率IGBT的短路特性，分析和總結現有軟關斷措施的優缺點，提出了一種新的多等級動態柵電阻的軟關斷策略。該策略可以讓驅動器一旦檢測到短路故障就立即采取保護動作，限制了IGBT的短路電流和短路功耗，大大減小了關斷過電壓，克服了無源緩沖網絡在大功率領域的不足，同時避免了傳統有源箝位，在電網波動時導致半橋上下管直通的風險。通過調整軟關斷驅動結構中開關的不同組合和持續時間可以將該策略應用在不同電壓等級的大功率IGBT場合，能夠可靠、安全地保護IGBT模塊進而有效的保護整個電力系統穩定運行。

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IGBT overvoltage suppression based on multi-level dynamic gate resistance

WANG Liang-liang1，YANG Yuan2，GAO Yong1，2，WEI Xiao-yuan2
（1.Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China；2.Xi’an University of Technology，Xi'an 710048，China）

In order to suppress the high voltage spikes caused by hard turn-off under short-circuit conditions of high-power insulated gate bipolar transistor（IGBT）module，the new strategy of soft turn-off based on multi-level dynamic gate resistances is proposed in this paper and the specific implementation is proposed.The short-circuit experimental results based on 3300V/ 1200A IGBT module proves that the strategy proposed enables the driver to take protective measures earlier and brings limited short？circuit current，smaller short circuit power consumption and lower spike voltage.It achieves the design requirement.

IGBT；short circuit；soft turn-off；overvoltage

TN386.2

A

1674－6236（2016）11-0166-04

2015-12-07稿件編號：201512075

國家自然科學基金 （51477138）；陜西省教育廳服務地方專項計劃項目 （15JF026）；陜西省科技統籌創新工程項目（2013KTCQ01-26）；西安工程大學研究生創新基金項目（CX2014013）

王亮亮（1989—），男，山西呂梁人，碩士研究生。研究方向：大功率IGBT驅動與保護。