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大家好，這期我們聊一下IGBT過(guò)壓保護(hù)措施。通常情況下，我們可以通過(guò)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(guò)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^(guò)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(lái)聊一下這兩種方法的利與弊。
首先讓我們看一下有源鉗位技術(shù)：
有源鉗位電路通過(guò)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(guò)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。
圖1 基本有源鉗位電路
關(guān)于IGBT有源鉗位技術(shù)的介紹，前段時(shí)間已經(jīng)分享過(guò)大牛魏煒寫的一篇技術(shù)文檔，網(wǎng)上也可以搜到，老耿在這里就不做深入介紹了。在這里有幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)一下：
①：有源鉗位是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，只要超過(guò)了有源鉗位TVS的動(dòng)作點(diǎn)，電路就會(huì)工作。所以無(wú)論是正常工況，還是過(guò)流、短路情況，只要IGBT關(guān)斷電壓尖峰超過(guò)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(guò)TVS的電流是很大的（大部分電流都會(huì)通過(guò)Rg經(jīng)過(guò)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)好大，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。
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。
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?lái)看看軟關(guān)斷技術(shù)：
IGBT軟關(guān)斷是相對(duì)于硬關(guān)斷來(lái)定義的，硬關(guān)斷指的就是IGBT的常規(guī)的關(guān)斷過(guò)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(guò)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。
圖4. ACPL-339J推薦電路[1]
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(guò)流時(shí)會(huì)怎樣呢？那只有硬抗了，如果能扛過(guò)去，ok，沒問題，扛不過(guò)去就掛掉了。當(dāng)然，作為一名測(cè)試工程師，肯定不會(huì)這么無(wú)情，在IGBT上機(jī)之前，還是會(huì)做很多測(cè)試的！過(guò)流保護(hù)是必備的一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。需要強(qiáng)調(diào)的是：不單單要測(cè)試過(guò)流保護(hù)起不起作用，更重要的還要關(guān)注IGBT過(guò)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(guò)流或短路時(shí)的關(guān)斷策略。硬件過(guò)流檢測(cè)實(shí)時(shí)性高，因此只要保證硬件過(guò)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(guò)流保護(hù)，只有軟件過(guò)流保護(hù)，那就好要好好評(píng)估器件的過(guò)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(guò)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。
圖5. IGBT過(guò)流、短路保護(hù)（無(wú)有源鉗位）
有的小伙伴可能會(huì)問，這篇文章主要針對(duì)的是IGBT的關(guān)斷電壓尖峰，那母線過(guò)電壓怎么辦呢？直流母線由于電容的存在，是一個(gè)很大的慣性環(huán)節(jié)，波動(dòng)不會(huì)太嚴(yán)重。如果由于能量回饋或其它原因（例如，三電平中點(diǎn)電位不平衡），導(dǎo)致的母線過(guò)電壓，驅(qū)動(dòng)是沒有辦法保護(hù)的（圖3所示電路也只能在一定程度上提高TVS動(dòng)作的閾值）。這種情況，控制板一般也會(huì)有硬件或軟件過(guò)壓保護(hù)。
最后，總結(jié)一下：
1. 如果IGBT驅(qū)動(dòng)電路集成了有源鉗位，那軟關(guān)斷意義就不大了，可以省去；
2. 如果IGBT驅(qū)動(dòng)只有軟關(guān)斷電路，那控制板最好有硬件過(guò)流保護(hù)，并且保證IGBT發(fā)生過(guò)流時(shí)的關(guān)斷電壓尖峰不會(huì)超器件的額定值。
3. 有源鉗位電路是可以頻繁動(dòng)作的，前提是一定要評(píng)估IGBT和TVS的損耗在允許范圍之內(nèi)，但實(shí)際為了可靠，還是盡量不讓其動(dòng)作，或者只在每個(gè)電流周期的峰值動(dòng)作幾次。
4. 任何一種技術(shù)都有利有弊，大家要學(xué)會(huì)根據(jù)自己的系統(tǒng)去平衡各種因素，這樣才能設(shè)計(jì)出性價(jià)比更高的產(chǎn)品。
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參考文獻(xiàn)：
[1] ACPL-339J datasheet.