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，產(chǎn)生的關(guān)斷電壓尖峰會比正常情況高很多，這時一定要采取保護(hù)措施，不然器件很有可能會因?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，會向門極注入一定的電流。如果這個時候IGBT正在關(guān)斷，那注入的電流會使IGBT關(guān)斷速度變緩，di/dt會減小，從而集電極電壓也會減小，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

幾個關(guān)鍵點(diǎn)強(qiáng)調(diào)一下：

①：有源鉗位是一個閉環(huán)系統(tǒng)，只要超過了有源鉗位TVS的動作點(diǎn)，電路就會工作。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，有源鉗位電路就會工作，這是有源鉗位電路的一個優(yōu)勢。

②：對于圖1所示的基本有源鉗位電路，當(dāng)有源鉗位電路動作時，流過TVS的電流是很大的（大部分電流都會通過Rg經(jīng)過推挽電路的下管流向了-15V），所以如果TVS頻繁動作，TVS的損耗會很大，有可能IGBT沒有問題，TVS就掛掉了。當(dāng)然，Concept對基本有源鉗位技術(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高級有源鉗位電路

但是對于我們自己設(shè)計的驅(qū)動電路，很難做到這一點(diǎn)，所以在應(yīng)用時盡量還是不讓TVS動作，或者每個輸出電流周期只動作幾次。

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

圖3. 動態(tài)有源鉗位電路

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

讓我們再來看看軟關(guān)斷技術(shù)：

IGBT軟關(guān)斷是相對于硬關(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，但是會承受一定的電壓尖峰應(yīng)力。而軟關(guān)斷就是采用一個相對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，因此只有短路的時候才會觸發(fā)軟關(guān)斷，而正常情況下還是會采用硬開關(guān)。圖4為Avago公司的驅(qū)動光耦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

有些小伙伴會問，軟關(guān)斷只有在IGBT短路的時才會觸發(fā)。那IGBT發(fā)生過流時會怎樣呢？那只有硬抗了。需要強(qiáng)調(diào)的是：不單單要測試過流保護(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)生過流或短路時的關(guān)斷策略。硬件過流檢測實(shí)時性高，因此只要保證硬件過流時關(guān)斷IGBT，尖峰不會超額定值，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)，那就好要好好評估器件的過壓情況了。例如：軟件的響應(yīng)時間，濾波時間，從檢測過流到封波時間，這個時候電流會升高到什么程度等等。

的小伙伴可能會問，這篇文章主要針對的是IGBT的關(guān)斷電壓尖峰，那母線過電壓怎么辦呢？直流母線由于電容的存在，是一個很大的慣性環(huán)節(jié)，波動不會太嚴(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)致的母線過電壓，驅(qū)動是沒有辦法保護(hù)的（圖3所示電路也只能在一定程度上提高TVS動作的閾值）。這種情況，控制板一般也會有硬件或軟件過壓保護(hù)。

總結(jié)：

1. 如果IGBT驅(qū)動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)動只有軟關(guān)斷電路，那控制板最好有硬件過流保護(hù)，并且保證IGBT發(fā)生過流時的關(guān)斷電壓尖峰不會超器件的額定值；

3. 有源鉗位電路是可以頻繁動作的，前提是一定要評估IGBT和TVS的損耗在允許范圍之內(nèi)，但實(shí)際為了可靠，還是盡量不讓其動作，或者只在每個電流周期的峰值動作幾次；

4. 任何一種技術(shù)都有利有弊，大家要學(xué)會根據(jù)自己的系統(tǒng)去平衡各種因素，這樣才能設(shè)計出性價比更高的產(chǎn)品。

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