基于多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的IGBT過(guò)電壓抑制策略

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

基于多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的IGBT過(guò)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(xué) 陜西 西安 710048；2.西安理工大學(xué) 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(guān)斷所產(chǎn)生的過(guò)高尖峰電壓，提出了一種基于多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的軟關(guān)斷策略，并給出了該策略的具體實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)3300V/1200A IGBT模塊的短路實(shí)驗(yàn)證明了此策略可以使驅(qū)動(dòng)器更早地采取保護(hù)措施，限制 的短路電流和短路功耗，減小了關(guān)斷尖峰電壓，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：IGBT；短路；軟關(guān)斷；過(guò)電壓

目前，以大功率模塊為核心的變流器在新能源發(fā)電、電力傳輸及軌道交通等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，其驅(qū)動(dòng)器的性能是的性能和變流器系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵［1］。由于大功率工作在高電壓、大電流的惡劣環(huán)境之下，常常因各種原因超出安全工作區(qū)而縮短器件的壽命或發(fā)生失效損壞［2］。其中關(guān)斷時(shí)受系統(tǒng)回路雜散電感的影響，產(chǎn)生的集電極-發(fā)射極間的浪涌過(guò)電壓是影響安全運(yùn)行的重要因素之一，尤其是當(dāng)短路關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓會(huì)更高，再與母線電壓相疊加，極易超過(guò)其額定電壓而損壞。在短路時(shí)能否快速地檢測(cè)到短路故障并配合適當(dāng)?shù)能涥P(guān)斷措施保護(hù)是驅(qū)動(dòng)器性能好壞的重要指標(biāo)。限制集電極-發(fā)射極過(guò)電壓的方法主要有：采用無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)、基于瞬態(tài)抑制二極管的有源箝位電路及增大的柵極關(guān)斷電阻等［3］。

本文結(jié)合大功率的短路特性，通過(guò)分析和總結(jié)現(xiàn)有軟關(guān)斷措施的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種新的多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的軟關(guān)斷策略，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在短路時(shí)可大大減小關(guān)斷過(guò)電壓、限制短路電流及短路功耗，能夠可靠、安全地保護(hù)模塊。

1　IGBT的短路

短路是指功率回路中的負(fù)載出現(xiàn)短路或橋式系統(tǒng)中某個(gè)橋臂發(fā)生直通后，電流快速上升，而產(chǎn)生的倍額定值的大負(fù)載電流。絕大情況的短路，母線電壓都是在額定點(diǎn)，“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(jù)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(jīng)短路的負(fù)載回路中，短路回路中的電感量很?。?00nH級(jí)），比如橋臂直通。發(fā)生一類短路后的工作特性如圖1a所示。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，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(xiàn)為集電極-發(fā)射極電壓小幅下降后又上升并短暫地超過(guò)母線電壓，之后穩(wěn)定在直流母線電壓值。二類短路是在導(dǎo)通狀態(tài)下發(fā)生短路，這類短路的回路中的電感量是不確定的（μH級(jí)），比如絕緣失效或誤接線引起的相間短路或相對(duì)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(qū)，在時(shí)間段1內(nèi)，快速脫離飽和區(qū)，集電極-發(fā)射極電壓迅速上升，最終穩(wěn)定在直流母線電壓［5］。

2　IGBT的過(guò)電壓及傳統(tǒng)軟關(guān)斷

由上述分析可知，在短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生8～10倍額定值的大負(fù)載電流。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到該短路并關(guān)斷IGBT時(shí)，電流的dic/dt會(huì)非常高，比關(guān)斷額定電流要高很多，這在回路負(fù)載中的寄生電感上會(huì)感應(yīng)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(huì)出現(xiàn)很高的關(guān)斷尖峰電壓，如圖2所示。這就有可能出現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)器發(fā)現(xiàn)了的短路現(xiàn)象，并且也及時(shí)關(guān)斷，但是由于dic/dt太高，產(chǎn)生了非常高的電壓尖峰，在關(guān)斷該短路電流后仍然可以打壞［7］。顯然，性能良好的軟關(guān)斷策略是非常必要的。由公式（1）可知，IGBT關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓尖峰與集電極電流ic的變化率成正比，若能優(yōu)化IGBT短路時(shí)8～10倍大負(fù)載電流的軟關(guān)斷，則電流的下降速率就會(huì)變低，關(guān)斷引起的過(guò)壓尖峰也會(huì)減小，進(jìn)而可以確保IGBT更加安全地關(guān)斷。

圖2　IGBT的浪涌電壓波形

基于上述分析，目前傳統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)主要是采用無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)和有源箝位電路的軟關(guān)斷方式。

無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)一般由電容、電阻、電感、二級(jí)管等無(wú)緣器件構(gòu)成［8］。無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)中的電容會(huì)吸收開(kāi)關(guān)過(guò)程中電感中存儲(chǔ)的能量，可減小感應(yīng)的電壓尖峰。為能維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，所吸收的能量應(yīng)在兩個(gè)充電過(guò)程之間通過(guò)電阻和二級(jí)管釋放或回饋給母線電容［9］。雖然無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)IGBT的短路大負(fù)載電流實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，降低關(guān)斷電壓尖峰，但由于其一般由電容、電阻、電感、二級(jí)管等無(wú)緣器件構(gòu)成，器件體積大而且關(guān)斷時(shí)會(huì)造成電壓震蕩，對(duì)于大功率的IGBT模塊，實(shí)際產(chǎn)品中幾乎不使用。

目前，多數(shù)大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器都是采用有源箝位實(shí)現(xiàn)［10-11］，如圖3所示，其工作原理是用穩(wěn)壓二極管將集電極電壓的變化直接反饋到柵極，IGBT關(guān)斷時(shí)，如果集電極-發(fā)射極的浪涌過(guò)電壓尖峰高于預(yù)設(shè)TVS的雪崩擊穿電壓后，VCE就會(huì)被箝位于所設(shè)定的電壓平臺(tái)如圖4所示，同時(shí)有電流it從集電極通過(guò)TVS管注入柵極給柵極電容充電，從而柵極電壓被抬高，延長(zhǎng)了IGBT柵壓的下降時(shí)間，減緩了IGBT的關(guān)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(fù)載寄生電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓VLs減小從而減小IGBT尖峰電壓，確保不超過(guò)其額定電壓。但是，這種保護(hù)方法有個(gè)致命的缺點(diǎn)就是當(dāng)母線電壓波動(dòng) （風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)、機(jī)車牽引中電網(wǎng)電壓的異常及HVDC應(yīng)用中，系統(tǒng)失效時(shí)，功率單元母線電壓被整流且抬升）時(shí)會(huì)導(dǎo)致半橋結(jié)構(gòu)上下管直通［12-13］。具體機(jī)理如圖3所示，在半橋模式中，當(dāng)上管開(kāi)通時(shí)，下管理論上是關(guān)閉的，但是當(dāng)母線電壓不穩(wěn)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，下管就會(huì)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(fā)射極電容充電，如果下管柵極-發(fā)射極電壓因此上升，并超過(guò)其開(kāi)啟閾值電壓，下管將會(huì)被誤觸發(fā)，甚至可能會(huì)出現(xiàn)橋臂直接導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)［14-15］。

圖3　有源箝位原理圖

圖4　有源箝位動(dòng)作過(guò)程

3　多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的軟關(guān)斷實(shí)現(xiàn)

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)軟關(guān)斷策略的分析和總結(jié)，針對(duì)其存在的不足，提出一種多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的軟關(guān)斷新方法，由8個(gè)開(kāi)關(guān)管各連接一個(gè)驅(qū)動(dòng)電阻，采用+15 V單電源供電且通過(guò)數(shù)字控制器CPLD控制8個(gè)開(kāi)關(guān)的組合導(dǎo)通為大功率IGBT模塊提供+15開(kāi)通和-15 V關(guān)斷電壓，例如G2和E1開(kāi)通，VGE= 15 V；E0和G3開(kāi)通，則VGE=-15 V。結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5　多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻軟關(guān)斷原理

其軟關(guān)斷核心思想是無(wú)論IGBT正常關(guān)斷還是短路關(guān)斷，數(shù)字控制器CPLD都會(huì)根據(jù)IGBT關(guān)斷時(shí)的不同階段，控制8個(gè)MOS開(kāi)關(guān)管進(jìn)而調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)不同階段的柵極電阻大小緩慢降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，使得關(guān)斷集電極電流變化率較緩慢，不至于產(chǎn)生很大的浪涌電壓，最終限制了集電極-發(fā)射極間的電壓。具體的軟關(guān)斷策略如表1所示，正常軟關(guān)斷時(shí)，①CPLD控制G3G5G7和E0全部開(kāi)通且持續(xù)300 ns，相當(dāng)于使用一個(gè)最小的柵極關(guān)斷電阻RG對(duì)IGBT的柵極電容放電；②控制G7和E0開(kāi)通并持續(xù)4.5 μs，使驅(qū)動(dòng)電阻變?yōu)檩^大的值，緩慢降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)而限制了IGBT的關(guān)斷過(guò)電壓；③使關(guān)斷電阻值切換為初始的最小驅(qū)動(dòng)電阻，加速電荷的抽取，減小拖尾電流的時(shí)間，完全軟關(guān)斷IGBT，確保IGBT不會(huì)因關(guān)斷過(guò)電壓而損壞。同理，在檢測(cè)到IGBT發(fā)生短路后，1）主控芯片CPLD先控制柵極通過(guò)G2與15 V保持相接而斷開(kāi)發(fā)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(shí)200 ns后控制G5和E1開(kāi)通，相當(dāng)于將IGBT的G極和E極通過(guò)一個(gè)合適的門極關(guān)斷電阻與地相接，門極輸入電容僅通過(guò)該電阻自然放電，進(jìn)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(huì)緩慢地減小，雜散電感上感應(yīng)的電壓會(huì)非常小，保證VCE只會(huì)小幅度超過(guò)母線電壓，最后穩(wěn)定在母線電壓值；3）延時(shí)6.5 μs后門極電壓已經(jīng)緩慢地減小到IGBT的開(kāi)通閾值電壓之下，此時(shí)控制G3G5G7和E0全部開(kāi)通使關(guān)斷電阻值切換為初始的最小驅(qū)動(dòng)電阻，完全軟關(guān)斷。

表1　軟關(guān)斷策略實(shí)現(xiàn)原理

本文提出的多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的軟關(guān)斷新方法，在驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到發(fā)生短路后，就可以立即執(zhí)行軟關(guān)斷動(dòng)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(wěn)定在母線電壓。CPLD控制軟關(guān)斷持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，確保軟關(guān)斷過(guò)程中IGBT電流就完全減小到零，即IGBT完全軟關(guān)斷。這樣既能大大減小短路關(guān)斷電壓尖峰，又能降低的短路電流，確保短路時(shí)間不超過(guò)允許范圍，安全可靠地保護(hù)了IGBT模塊。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文提出的多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻軟關(guān)斷控制策略的可行性及優(yōu)越性，搭建了高壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用 3 300 V/ 1 200 A的模塊進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)。一類短路實(shí)驗(yàn)?zāi)妇€電壓為1 600 V，上管的門級(jí)被關(guān)斷，且用粗短的銅排將其短路。對(duì)下管的施加一個(gè)的單脈沖信號(hào)，直通就形成。二類短路實(shí)驗(yàn)?zāi)妇€電壓同樣為1 600 V，上管的門極被-15 V關(guān)斷，且給上管并聯(lián)一個(gè)4 μH的電感作為負(fù)載，下橋臂通過(guò)驅(qū)動(dòng)器釋放一個(gè)15 μs的單脈沖就形成二類短路［16］。

圖6所示為采用多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻軟關(guān)斷策略保護(hù)IGBT短路的實(shí)驗(yàn)波形。圖6a為一類短路實(shí)驗(yàn)波形，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到IGBT發(fā)生一類短路后，立即采用表一提出的軟關(guān)斷實(shí)現(xiàn)方法慢降柵壓關(guān)斷IGBT，由圖可看出，集電極-發(fā)射極電壓VCE超過(guò)母線電壓的幅值非常低，即電流下降速率在雜散電感上產(chǎn)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(xù)時(shí)間為2 μs，短路損耗約5 J。圖6b為二類短路實(shí)驗(yàn)波形，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到發(fā)生二類短路后，同樣采取與一類短路相似的軟關(guān)斷策略，由圖可知VCE超過(guò)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(guò)對(duì)兩類短路實(shí)驗(yàn)波形的分析可知，采用多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻軟關(guān)斷策略保護(hù)IGBT，在驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到短路狀態(tài)后，就可以立即執(zhí)行關(guān)斷動(dòng)作，不需要等待VCE穩(wěn)定到母線電壓值，使短路關(guān)斷過(guò)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(tài)的功耗也非常低，避免IGBT過(guò)熱損壞；采用新方法避免了傳統(tǒng)有源箝位，在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)導(dǎo)致半橋上下管直通的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文所提策略是一種理想的限制短路關(guān)斷過(guò)電壓的方法，可最佳地保護(hù)IGBT模塊。

圖6　軟關(guān)斷實(shí)驗(yàn)波形

5　結(jié)　論

結(jié)合大功率IGBT的短路特性，分析和總結(jié)現(xiàn)有軟關(guān)斷措施的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種新的多等級(jí)動(dòng)態(tài)柵電阻的軟關(guān)斷策略。該策略可以讓驅(qū)動(dòng)器一旦檢測(cè)到短路故障就立即采取保護(hù)動(dòng)作，限制了IGBT的短路電流和短路功耗，大大減小了關(guān)斷過(guò)電壓，克服了無(wú)源緩沖網(wǎng)絡(luò)在大功率領(lǐng)域的不足，同時(shí)避免了傳統(tǒng)有源箝位，在電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)導(dǎo)致半橋上下管直通的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)調(diào)整軟關(guān)斷驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中開(kāi)關(guān)的不同組合和持續(xù)時(shí)間可以將該策略應(yīng)用在不同電壓等級(jí)的大功率IGBT場(chǎng)合，能夠可靠、安全地保護(hù)IGBT模塊進(jìn)而有效的保護(hù)整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(hào)：201512075

國(guó)家自然科學(xué)基金 （51477138）；陜西省教育廳服務(wù)地方專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目 （15JF026）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2013KTCQ01-26）；西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)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(qū)動(dòng)與保護(hù)。