基于柵極控制的IGBT關(guān)斷過電壓研究

尹 新， 陳 功， 沈 征， 帥智康， 唐開毅

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082)

基于柵極控制的IGBT關(guān)斷過電壓研究

尹 新， 陳 功， 沈 征， 帥智康， 唐開毅

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082)

由于線路中雜散電感以及IGBT反并聯(lián)二極管浪涌電壓的影響，IGBT在關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生過電壓尖峰。通過對(duì)IGBT關(guān)斷過程的分析，提出了一種新的IGBT過電壓抑制方法，并通過pspice仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新的過電壓抑制方法的正確性和優(yōu)勢(shì)。

雜散電感；IGBT；過電壓

由于IGBT具有MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、工作頻率較高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有BJT的通態(tài)壓降較小、功率損耗較小的優(yōu)勢(shì)，并隨著IGBT技術(shù)的成熟和發(fā)展，IGBT作為大功率全控型器件在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣，例如交流電機(jī)、變流器、開關(guān)電源、牽引傳動(dòng)、輕型直流輸電、風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行等。

IGBT的開關(guān)頻率一般能達(dá)到幾kHz以上，在如此高的開關(guān)頻率下，IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)間極短。由于電路中的雜散電感以及IGBT反并聯(lián)二極管浪涌電壓的影響，會(huì)在IGBT關(guān)斷過程中產(chǎn)生過電壓尖峰。IGBT關(guān)斷過電壓不僅使IGBT的開關(guān)損耗增大，管殼溫度升高，而且過電壓可能使IGBT擊穿燒壞。針對(duì)IGBT過電壓，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出了很多解決辦法[1-4]。通過優(yōu)化IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路中元器件的布局，能明顯減小電路中雜散電感，從而減小過電壓尖峰，但是雜散電感無(wú)法完全消除。通過增加?xùn)艠O電阻以及增加外圍的吸收電路能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT過電壓抑制作用，但是同時(shí)增加了開關(guān)損耗以及降低了IGBT的開關(guān)頻率。通過齊納二極管的抑制電路，能較好地抑制過電壓的產(chǎn)生，但是齊納二極管進(jìn)行過電壓抑制時(shí)開關(guān)損耗較大，而且齊納二極管的有限幅值限制了它在高壓大電流中的應(yīng)用。基于柵極控制的IGBT過電壓抑制方法，通過短暫的導(dǎo)通IGBT來抑制過電壓，柵極控制方法功耗較小，但是柵極控制方法通常含有較多的模擬電路，因而反應(yīng)延遲時(shí)間較長(zhǎng)，電路較為復(fù)雜，從而降低了IGBT電路運(yùn)行的可靠性。

針對(duì)現(xiàn)有IGBT過電壓抑制方法，本文通過對(duì)引起IGBT過電壓的原因深入分析和研究，提出了一種新的柵極控制IGBT過電壓控制方法，該方法對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響極小，能及時(shí)有效地抑制IGBT過電壓的產(chǎn)生，而且電路簡(jiǎn)單，體積小，容易集成到IGBT驅(qū)動(dòng)中。

1 米勒電容和柵極電流

為了分析IGBT過電壓產(chǎn)生的原理以及如何對(duì)過電壓進(jìn)行抑制，首先應(yīng)分析IGBT動(dòng)態(tài)關(guān)斷過程。

以一個(gè)常見的IGBT關(guān)斷電路為例說明IGBT的關(guān)斷過程，圖1所示為IGBT柵極等效電路，圖中表示外加?xùn)艠O電阻，表示內(nèi)部柵極電阻，表示集電極-柵極電容，表示柵極-發(fā)射極電容，表示集電極-發(fā)射極電容，表示柵極驅(qū)動(dòng)電壓，表示柵極-發(fā)射極電壓，表示集電極-發(fā)射極電壓。圖1中的也稱作米勒電容，在IGBT的開通或者關(guān)斷瞬態(tài)，米勒電容不是一個(gè)不變的常量，而是一個(gè)隨著變化的變量，當(dāng)升高時(shí)，米勒電容將會(huì)急劇下降。

圖1 柵極等效電路

圖1所示電路的IGBT的關(guān)斷過程的電壓電流波形如圖2所示。從圖2中可知，IGBT的關(guān)斷過程可以分為4個(gè)階段。第1階段(0～1)為柵極側(cè)電壓開始下降到集電極電壓開始上升為止，在0以前，驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓已經(jīng)降到關(guān)斷電壓－15 V，由于電容放電，開始下降，在此期間，米勒電容幾乎保持不變。第2階段(1～2)為集射極電壓開始上升，到其上升為靜態(tài)電壓為止，由于米勒電容隨著的升高也急劇下降，因而放電電流將保持一個(gè)近似的恒定值，從而使維持在一個(gè)穩(wěn)定的電壓值，該電壓稱為米勒平臺(tái)電壓，由于米勒電容的作用，減緩了的減小，使IGBT關(guān)斷減緩。當(dāng)米勒電容容量大大減小后，IGBT集電極到柵極的反饋電流減小，又開始下降。第3階段(2～3)為IGBT內(nèi)部的MOS結(jié)構(gòu)開始關(guān)斷，從而集電極電流開始迅速降低，此時(shí)變化的集電極電流在寄生電感上產(chǎn)生電壓，從而使IGBT集電極發(fā)射極承受過電壓尖峰。第4階段(3～4)為IGBT體區(qū)中的PNP結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，載流子復(fù)合從而集電極電流緩慢減低，而門極電壓繼續(xù)降低，直到驅(qū)動(dòng)器的關(guān)斷電壓為止。

圖2 關(guān)斷時(shí)IGBT柵極特性曲線

從圖2可知，第2階段，即米勒效應(yīng)階段，通過調(diào)節(jié)米勒電容可以調(diào)節(jié)IGBT關(guān)斷時(shí)間。1時(shí)刻開始，開始上升，d/d 引起的感應(yīng)電流通過米勒電容向柵射極電容充電，此階段有：

從式(1)可知：

從式(3)和(4)可知，增加電容CGC可以抑制集電極電流的變化，從而減小寄生電感引起的過電壓。

2 IGBT過電壓抑制電路

2.1 電路結(jié)構(gòu)

圖3所示為提出的IGBT過電壓抑制電路，它由過電壓采樣電路和動(dòng)態(tài)過電壓抑制電路構(gòu)成。過電壓采樣電路由兩個(gè)電阻和一個(gè)電壓跟隨器構(gòu)成。動(dòng)態(tài)過電壓抑制電路由一個(gè)電容、一個(gè)小功率IGBT、一個(gè)互感器和一個(gè)電壓比較器構(gòu)成。兩個(gè)電阻R1、R2串聯(lián)用于檢測(cè)集電極發(fā)射極的過電壓。當(dāng)檢測(cè)的電壓超過設(shè)定的參考電壓時(shí)，比較器輸出一個(gè)高電平通過互感器作用在Z2的柵極和發(fā)射極，導(dǎo)通Z2從而使電容C1并聯(lián)在IGBT的集電極-柵極兩端，通過米勒電容的調(diào)節(jié)抑制Z1上承受的過電壓?；ジ衅鬟x用信號(hào)隔離變壓器。為了防止導(dǎo)通時(shí)輔助電容對(duì)導(dǎo)通時(shí)間的影響，增加了二極管D1。

圖3 IGBT過電壓抑制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 IGBT過電壓抑制的工作原理

為了詳細(xì)分析IGBT的工作情況，將IGBT的運(yùn)行情況分為靜態(tài)導(dǎo)通、靜態(tài)關(guān)斷、動(dòng)態(tài)的IGBT開始承受過電壓之前、動(dòng)態(tài)關(guān)斷時(shí)IGBT集電極-發(fā)射極開始承受過電壓之后四種情況進(jìn)行分析說明。

工作模式1：靜態(tài)導(dǎo)通時(shí)，幾乎全部電流從IGBT的集電極流到發(fā)射極，因此輔助電路不起作用。

工作模式2：當(dāng)IGBT開始關(guān)斷時(shí)，IGBT集電極發(fā)射極開始承受電壓，當(dāng)IGBT上承受的電壓低于設(shè)定的過電壓參考閥值時(shí)，IGBT的輔助電路仍然不起作用。

3 過電壓抑制輔助電路參數(shù)設(shè)計(jì)

為了使輔助過電壓抑制電路達(dá)到更加期望的過電壓抑制效果，輔助電路元器件的參數(shù)設(shè)計(jì)可以進(jìn)行一定優(yōu)化。

比較器參考電壓的設(shè)定值不宜太小，否則輔助電路會(huì)誤動(dòng)作，但是參考電壓設(shè)定值太高，將達(dá)不到較好的過電壓抑制效果。因此一般情況下：

為了盡量減小控制電路的延遲時(shí)間，電壓跟隨器以及電壓比較器應(yīng)選取高速的運(yùn)放電路，而且參考電壓不宜選擇過高。因?yàn)檫^高的參考電壓將提高了電壓跟隨器和電壓比較器的電源電壓值，通常電壓跟隨器和電壓比較器的電源電壓值越高，延遲時(shí)間越長(zhǎng)。

輔助IGBT的額定電流在能達(dá)到通流要求的情況下應(yīng)選擇盡量小，因?yàn)榧词钩霈F(xiàn)過電壓較大，輔助電容電壓的變化產(chǎn)生的脈沖電流也比較小，而且輔助電路的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)越短越好，而額定電流增大，導(dǎo)通時(shí)間將延長(zhǎng)，而且相應(yīng)的IGBT驅(qū)動(dòng)功率要求將相應(yīng)增加。但是輔助IGBT的耐壓值應(yīng)和主電路IGBT的相近，因?yàn)镮GBT關(guān)斷后其上承受的靜態(tài)電壓和主電路IGBT承受的靜態(tài)電壓相近。

4 仿真結(jié)果

為了論證提出的過電壓電路的可行性和正確性，在pspice軟件中進(jìn)行了模擬仿真，如圖4所示，選用1 700 V、1 600 A的IGBT模塊進(jìn)行仿真，該IGBT模塊由4個(gè)CM400HA-34H并聯(lián)組成。電感用600 A理想電流源替代，每個(gè)IGBT承受的靜態(tài)電壓為600 V，IGBT柵極信號(hào)的頻率為1 kHz，緩沖電容取20 nF，IGBT的柵極導(dǎo)通電壓選取+15 V，柵極關(guān)斷電壓取－15 V，柵極電阻取5 Ω，寄生電感取100 nH。

圖4 提出的均壓電路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

圖5 未添加過電壓抑制的IGBT 和仿真波形

圖6 添加過電壓抑制電路后的IGBT 和仿真波形

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證過電壓抑制電路的有效性，采用英飛凌的FF300R17KE4進(jìn)行雙脈沖實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中母線電壓為200 V，電感為0.1 mH，脈沖寬度分別為40和10 μs，第二個(gè)脈沖導(dǎo)通時(shí)電流達(dá)到60 A，實(shí)驗(yàn)電路和仿真的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致。輔助電路的電壓跟隨器采用TI公司的THS3201，電壓比較器采樣TI公司的TLV3501，脈沖變壓器采用PE-65612NL，驅(qū)動(dòng)采用TI公司的UCC27537，輔助IGBT用英飛凌的MOS管5R950CE替代，設(shè)定的參考電壓為3.2 V，采樣電阻采用68和1 kΩ串聯(lián)。

從圖7和圖8可以看出，當(dāng)沒有采用過電壓抑制電路時(shí)，IGBT關(guān)斷的的最大過電壓達(dá)到100 V，當(dāng)采用過電壓抑制電路時(shí)，IGBT過電壓降低到45 V，因此很好地實(shí)現(xiàn)了過電壓的抑制。而且IGBT電壓的上升沿沒有減緩，因而不影響IGBT開關(guān)頻率。

圖7 未添加輔助電路的IGBT 和關(guān)斷波形

圖8 添加輔助電路的IGBT 和關(guān)斷波形

6 結(jié)論

采用新的IGBT過電壓抑制方法能有效的抑制IGBT過電壓產(chǎn)生，而且輔助電路簡(jiǎn)單，所需元器件較小，不僅能有效防止IGBT過電壓損壞，而且能降低IGBT的開關(guān)損耗，能夠適用于各種場(chǎng)合的IGBT過電壓抑制。

[1]DULAU L,PONTAROLLO S,BOIMOND A,et al.A new gate driver integrated circuit for IGBT devices with advanced protections[J].Power Electronics,IEEE Transactions on,2006,21(1):38-44.

[2]HSIEH A P S,UDREA F,LIN W C.Integrated avalanche diode for 600 V trench IGBT over-voltage protection[C]//Proceedings of Semiconductor Conference(CAS),2011 International.Sinaia:CAS,2011:309-312.

[3]HAMAD M S,ABDELSALAM A K,WILLIAMS B W.Over-voltage protection of single phase grid connected current source inverters using a simplified passive network[C]//Proceedings of Renewable Power Generation(RPG 2011),IET Conference on.Edinburgh:IET,2011:1-5.

[4]LOBSIGER Y,KOLAR J W.Closed-loop IGBT gate drive featuring highly dynamic di/dt and dv/dt control[C]//Proceedings of Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2012 IEEE.Raleigh,NC:IEEE,2012:4754-4761.

Investigation of IGBT over-voltage suppression based on gate control

Since the effect of stray inductance and IGBT anti-parallel diode surge voltage, IGBT would produce over-voltage overshoot in shutdown process.A new IGBT over-voltage suppression method based on the analysis of IGBT turn-off process was proposed.Based on the pspice simulation and experimental result, this new over-voltage suppression method was verified accuracy and advantage.

stray inductance;IGBT;over-voltage

TM 714.2

A

1002-087 X(2016)03-0680-04

2015-08-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277060)

尹新(1972—)，男，湖南省人，博士，副研究員，主要研究方向主要為電路測(cè)試與故障檢測(cè)、智能信號(hào)處理。