IGBT過壓保護(hù)措施的兩種方法分享-KIA MOS管

通常情況下，我們可以通過優(yōu)化母排雜散電感或增加吸收電路減小IGBT的關(guān)斷電壓尖峰。然而這兩種方法都是減小電壓尖峰的措施而不是保護(hù)方法，面向的也是IGBT正常工況。

當(dāng)IGBT發(fā)生過流或短路時(shí)，產(chǎn)生的關(guān)斷電壓尖峰會(huì)比正常情況高很多，這時(shí)一定要采取保護(hù)措施，不然器件很有可能會(huì)因?yàn)檫^電壓而損壞。目前IGBT的關(guān)斷電壓尖峰保護(hù)措施主要有軟關(guān)斷和有源鉗位兩種方法。今天我們就來聊一下這兩種方法的利與弊。

首先看一下有源鉗位技術(shù)：

有源鉗位電路通過在IGBT的集電極和柵極之間串聯(lián)一定數(shù)量的瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS），當(dāng)電壓超過TVS的鉗位電壓時(shí)，會(huì)向門極注入一定的電流。如果這個(gè)時(shí)候IGBT正在關(guān)斷，那注入的電流會(huì)使IGBT關(guān)斷速度變緩，di/dt會(huì)減小，從而集電極電壓也會(huì)減小，最基本的有源鉗位電路如圖1所示。

IGBT過壓保護(hù) 軟關(guān)斷有源鉗位

圖1 基本有源鉗位電路

幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一下：

①：有源鉗位是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，只要超過了有源鉗位TVS的動(dòng)作點(diǎn)，電路就會(huì)工作。所以無論是正常工況，還是過流、短路情況，只要IGBT關(guān)斷電壓尖峰超過了TVS鉗位電壓值，有源鉗位電路就會(huì)工作，這是有源鉗位電路的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

②：對(duì)于圖1所示的基本有源鉗位電路，當(dāng)有源鉗位電路動(dòng)作時(shí)，流過TVS的電流是很大的（大部分電流都會(huì)通過Rg經(jīng)過推挽電路的下管流向了-15V），所以如果TVS頻繁動(dòng)作，TVS的損耗會(huì)很大，有可能IGBT沒有問題，TVS就掛掉了。當(dāng)然，Concept對(duì)基本有源鉗位技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2所示，讓大部分TVS的電流都流向門極。

IGBT過壓保護(hù) 軟關(guān)斷有源鉗位

圖2 Concept高級(jí)有源鉗位電路

但是對(duì)于我們自己設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，很難做到這一點(diǎn)，所以在應(yīng)用時(shí)盡量還是不讓TVS動(dòng)作，或者每個(gè)輸出電流周期只動(dòng)作幾次。

③：有源鉗位的另外一個(gè)問題：降低了IGBT的靜態(tài)阻斷電壓。例如1700V IGBT有源鉗位動(dòng)作點(diǎn)一般設(shè)在1350V左右；1200V的IGBT有源鉗位動(dòng)作點(diǎn)在900V左右。當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，如果母線電壓上升到有源鉗位動(dòng)作點(diǎn)時(shí)，TVS就會(huì)被擊穿，IGBT就會(huì)被打開，后面的事情就不敢想象了。針對(duì)該問題Concept也給出了解決方案，如圖3所示。

IGBT過壓保護(hù) 軟關(guān)斷有源鉗位

圖3. 動(dòng)態(tài)有源鉗位電路

這種方案目前也主要針對(duì)3.3kV以上的IGBT，對(duì)于1.7kV及以下IGBT，如果采用這種方案，成本就有點(diǎn)高了。

讓我們?cè)賮砜纯窜涥P(guān)斷技術(shù)：

IGBT軟關(guān)斷是相對(duì)于硬關(guān)斷來定義的，硬關(guān)斷指的就是IGBT的常規(guī)的關(guān)斷過程，由于電阻小，關(guān)斷速度快，因此損耗也比較小，但是會(huì)承受一定的電壓尖峰應(yīng)力。而軟關(guān)斷就是采用一個(gè)相對(duì)較大的電阻緩慢地給柵射之間的電容Cge放電，從而降低IGBT的關(guān)斷速度，避免產(chǎn)生過電壓。

由于軟關(guān)斷產(chǎn)生的關(guān)斷損耗非常大，因此只有短路的時(shí)候才會(huì)觸發(fā)軟關(guān)斷，而正常情況下還是會(huì)采用硬開關(guān)。圖4為Avago公司的驅(qū)動(dòng)光耦A(yù)CPL-339J推薦電路，推薦的軟關(guān)斷電阻為330Ω。

IGBT過壓保護(hù) 軟關(guān)斷有源鉗位

圖4. ACPL-339J推薦電路

有些小伙伴會(huì)問，軟關(guān)斷只有在IGBT短路的時(shí)才會(huì)觸發(fā)。那IGBT發(fā)生過流時(shí)會(huì)怎樣呢？那只有硬抗了。需要強(qiáng)調(diào)的是：不單單要測(cè)試過流保護(hù)起不起作用，更重要的還要關(guān)注IGBT過流關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰有沒有超額定值。

圖5展示了IGBT發(fā)生過流或短路時(shí)的關(guān)斷策略。硬件過流檢測(cè)實(shí)時(shí)性高，因此只要保證硬件過流時(shí)關(guān)斷IGBT，尖峰不會(huì)超額定值，那就沒問題。如果你的系統(tǒng)沒有硬件過流保護(hù)，只有軟件過流保護(hù)，那就好要好好評(píng)估器件的過壓情況了。例如：軟件的響應(yīng)時(shí)間，濾波時(shí)間，從檢測(cè)過流到封波時(shí)間，這個(gè)時(shí)候電流會(huì)升高到什么程度等等。

IGBT過壓保護(hù) 軟關(guān)斷有源鉗位