基于多等级动态栅电阻的IGBT过电压抑制策略

王亮亮，杨 媛，高 勇，，魏小源（.西安工程大学 陕西 西安 70048；.西安理工大学 陕西 西安 70048）

基于多等级动态栅电阻的IGBT过电压抑制策略

王亮亮1，杨 媛2，高 勇1，2，魏小源2
（1.西安工程大学 陕西 西安 710048；2.西安理工大学 陕西 西安 710048）

为了抑制大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块在短路情况下的硬关断所产生的过高尖峰电压，提出了一种基于多等级动态栅电阻的软关断策略，并给出了该策略的具体实现方法。通过3300V/1200A IGBT模块的短路实验证明了此策略可以使驱动器更早地采取保护措施，限制 的短路电流和短路功耗，减小了关断尖峰电压，达到了设计要求。关键词：IGBT；短路；软关断；过电压

目前，以大功率模块为核心的变流器在新能源发电、电力传输及轨道交通等领域被广泛应用，其驱动器的性能是的性能和变流器系统安全稳定运行的关键［1］。由于大功率工作在高电压、大电流的恶劣环境之下，常常因各种原因超出安全工作区而缩短器件的寿命或发生失效损坏［2］。其中关断时受系统回路杂散电感的影响，产生的集电极-发射极间的浪涌过电压是影响安全运行的重要因素之一，尤其是当短路关断时产生的过电压会更高，再与母线电压相叠加，极易超过其额定电压而损坏。在短路时能否快速地检测到短路故障并配合适当的软关断措施保护是驱动器性能好坏的重要指标。限制集电极-发射极过电压的方法主要有：采用无源缓冲网络、基于瞬态抑制二极管的有源箝位电路及增大的栅极关断电阻等［3］。

本文结合大功率的短路特性，通过分析和总结现有软关断措施的优缺点，提出了一种新的多等级动态栅电阻的软关断策略，通过实验验证了其在短路时可大大减小关断过电压、限制短路电流及短路功耗，能够可靠、安全地保护模块。

1　IGBT的短路

短路是指功率回路中的负载出现短路或桥式系统中某个桥臂发生直通后，电流快速上升，而产生的倍额定值的大负载电流。绝大情况的短路，母线电压都是在额定点，“短路回路中的电感量”是影响短路电流的主要因素，因此依据短路回路中的电感量大小，可将其分为一类短路和二类短路［4］。

一类短路是本身处于已经短路的负载回路中，短路回路中的电感量很小（100nH级），比如桥臂直通。发生一类短路后的工作特性如图1a所示。当导通时，直流母线的所有电压都集中在上，集电极电流迅速上升，由于短路回路中寄生电感的存在，其表现为集电极-发射极电压小幅下降后又上升并短暂地超过母线电压，之后稳定在直流母线电压值。二类短路是在导通状态下发生短路，这类短路的回路中的电感量是不确定的（μH级），比如绝缘失效或误接线引起的相间短路或相对地短路。相比一类短路，受到的冲击更大，此类短路特性如图1b所示，先工作在饱和区，在时间段1内，快速脱离饱和区，集电极-发射极电压迅速上升，最终稳定在直流母线电压［5］。

2　IGBT的过电压及传统软关断

由上述分析可知，在短路时会产生8～10倍额定值的大负载电流。当驱动器检测到该短路并关断IGBT时，电流的dic/dt会非常高，比关断额定电流要高很多，这在回路负载中的寄生电感上会感应出很高的浪涌电压VLs，其中Ls为回路电感［6］。

图1　IGBT短路工作特性

VLs与母线电压VDC相叠加，会出现很高的关断尖峰电压，如图2所示。这就有可能出现，驱动器发现了的短路现象，并且也及时关断，但是由于dic/dt太高，产生了非常高的电压尖峰，在关断该短路电流后仍然可以打坏［7］。显然，性能良好的软关断策略是非常必要的。由公式（1）可知，IGBT关断时的过电压尖峰与集电极电流ic的变化率成正比，若能优化IGBT短路时8～10倍大负载电流的软关断，则电流的下降速率就会变低，关断引起的过压尖峰也会减小，进而可以确保IGBT更加安全地关断。

图2　IGBT的浪涌电压波形

基于上述分析，目前传统的过电压保护主要是采用无源缓冲网络和有源箝位电路的软关断方式。

无源缓冲网络一般由电容、电阻、电感、二级管等无缘器件构成［8］。无源缓冲网络中的电容会吸收开关过程中电感中存储的能量，可减小感应的电压尖峰。为能维护网络的稳定运行，所吸收的能量应在两个充电过程之间通过电阻和二级管释放或回馈给母线电容［9］。虽然无源缓冲网络可以对IGBT的短路大负载电流实现软关断，降低关断电压尖峰，但由于其一般由电容、电阻、电感、二级管等无缘器件构成，器件体积大而且关断时会造成电压震荡，对于大功率的IGBT模块，实际产品中几乎不使用。

目前，多数大功率IGBT驱动器都是采用有源箝位实现［10-11］，如图3所示，其工作原理是用稳压二极管将集电极电压的变化直接反馈到栅极，IGBT关断时，如果集电极-发射极的浪涌过电压尖峰高于预设TVS的雪崩击穿电压后，VCE就会被箝位于所设定的电压平台如图4所示，同时有电流it从集电极通过TVS管注入栅极给栅极电容充电，从而栅极电压被抬高，延长了IGBT栅压的下降时间，减缓了IGBT的关断速度，即集电极电流变化速率dic/dt变小，由公式1-1可知其在负载寄生电感上产生的感应电压VLs减小从而减小IGBT尖峰电压，确保不超过其额定电压。但是，这种保护方法有个致命的缺点就是当母线电压波动 （风力发电产生的电压不稳、机车牵引中电网电压的异常及HVDC应用中，系统失效时，功率单元母线电压被整流且抬升）时会导致半桥结构上下管直通［12-13］。具体机理如图3所示，在半桥模式中，当上管开通时，下管理论上是关闭的，但是当母线电压不稳出现波动时，下管就会被抬高，一旦高于下管TVS的雪崩击穿电压，同样有电流给下管栅极-发射极电容充电，如果下管栅极-发射极电压因此上升，并超过其开启阈值电压，下管将会被误触发，甚至可能会出现桥臂直接导通的风险［14-15］。

图3　有源箝位原理图

图4　有源箝位动作过程

3　多等级动态栅电阻的软关断实现

通过对传统软关断策略的分析和总结，针对其存在的不足，提出一种多等级动态栅电阻的软关断新方法，由8个开关管各连接一个驱动电阻，采用+15 V单电源供电且通过数字控制器CPLD控制8个开关的组合导通为大功率IGBT模块提供+15开通和-15 V关断电压，例如G2和E1开通，VGE= 15 V；E0和G3开通，则VGE=-15 V。结构示意图如图5所示。

图5　多等级动态栅电阻软关断原理

其软关断核心思想是无论IGBT正常关断还是短路关断，数字控制器CPLD都会根据IGBT关断时的不同阶段，控制8个MOS开关管进而调节关断时不同阶段的栅极电阻大小缓慢降低栅极驱动电压，使得关断集电极电流变化率较缓慢，不至于产生很大的浪涌电压，最终限制了集电极-发射极间的电压。具体的软关断策略如表1所示，正常软关断时，①CPLD控制G3G5G7和E0全部开通且持续300 ns，相当于使用一个最小的栅极关断电阻RG对IGBT的栅极电容放电；②控制G7和E0开通并持续4.5 μs，使驱动电阻变为较大的值，缓慢降低栅极驱动电压进而限制了IGBT的关断过电压；③使关断电阻值切换为初始的最小驱动电阻，加速电荷的抽取，减小拖尾电流的时间，完全软关断IGBT，确保IGBT不会因关断过电压而损坏。同理，在检测到IGBT发生短路后，1）主控芯片CPLD先控制栅极通过G2与15 V保持相接而断开发射极与电源的连接，缓慢降低IGBT的门极电压VGE，限制IGBT的短路电流；2）延时200 ns后控制G5和E1开通，相当于将IGBT的G极和E极通过一个合适的门极关断电阻与地相接，门极输入电容仅通过该电阻自然放电，进而使门极电压VGE更加缓慢的下降，随着门极电压的缓慢减小，IGBT短路电流也会缓慢地减小，杂散电感上感应的电压会非常小，保证VCE只会小幅度超过母线电压，最后稳定在母线电压值；3）延时6.5 μs后门极电压已经缓慢地减小到IGBT的开通阈值电压之下，此时控制G3G5G7和E0全部开通使关断电阻值切换为初始的最小驱动电阻，完全软关断。

表1　软关断策略实现原理

本文提出的多等级动态栅电阻的软关断新方法，在驱动器检测到发生短路后，就可以立即执行软关断动作，缓慢降低门极电压减小短路电流及其变化率而不需要等待VCE稳定在母线电压。CPLD控制软关断持续足够长的时间，确保软关断过程中IGBT电流就完全减小到零，即IGBT完全软关断。这样既能大大减小短路关断电压尖峰，又能降低的短路电流，确保短路时间不超过允许范围，安全可靠地保护了IGBT模块。

4　实验结果与分析

为了验证本文提出的多等级动态栅电阻软关断控制策略的可行性及优越性，搭建了高压实验平台采用 3 300 V/ 1 200 A的模块进行短路实验。一类短路实验母线电压为1 600 V，上管的门级被关断，且用粗短的铜排将其短路。对下管的施加一个的单脉冲信号，直通就形成。二类短路实验母线电压同样为1 600 V，上管的门极被-15 V关断，且给上管并联一个4 μH的电感作为负载，下桥臂通过驱动器释放一个15 μs的单脉冲就形成二类短路［16］。

图6所示为采用多等级动态栅电阻软关断策略保护IGBT短路的实验波形。图6a为一类短路实验波形，当驱动器检测到IGBT发生一类短路后，立即采用表一提出的软关断实现方法慢降栅压关断IGBT，由图可看出，集电极-发射极电压VCE超过母线电压的幅值非常低，即电流下降速率在杂散电感上产生的电压仅有179 V，且将电流最大值限制在3.16 kA，短路持续时间为2 μs，短路损耗约5 J。图6b为二类短路实验波形，当驱动器检测到发生二类短路后，同样采取与一类短路相似的软关断策略，由图可知VCE超过母线电压的幅值也很低不足400 V，且将电流最大值限制在4.2 kA，短路损耗约7 J。

通过对两类短路实验波形的分析可知，采用多等级动态栅电阻软关断策略保护IGBT，在驱动器检测到短路状态后，就可以立即执行关断动作，不需要等待VCE稳定到母线电压值，使短路关断过电压非常小；由短路波形还可看出短路电流不到额定值的4倍，即大大减小了的短路电流且短路状态的功耗也非常低，避免IGBT过热损坏；采用新方法避免了传统有源箝位，在电网波动时导致半桥上下管直通的风险。因此，本文所提策略是一种理想的限制短路关断过电压的方法，可最佳地保护IGBT模块。

图6　软关断实验波形

5　结　论

结合大功率IGBT的短路特性，分析和总结现有软关断措施的优缺点，提出了一种新的多等级动态栅电阻的软关断策略。该策略可以让驱动器一旦检测到短路故障就立即采取保护动作，限制了IGBT的短路电流和短路功耗，大大减小了关断过电压，克服了无源缓冲网络在大功率领域的不足，同时避免了传统有源箝位，在电网波动时导致半桥上下管直通的风险。通过调整软关断驱动结构中开关的不同组合和持续时间可以将该策略应用在不同电压等级的大功率IGBT场合，能够可靠、安全地保护IGBT模块进而有效的保护整个电力系统稳定运行。

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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稿件编号：201512075

国家自然科学基金 （51477138）；陕西省教育厅服务地方专项计划项目 （15JF026）；陕西省科技统筹创新工程项目（2013KTCQ01-26）；西安工程大学研究生创新基金项目（CX2014013）

王亮亮（1989—），男，山西吕梁人，硕士研究生。研究方向：大功率IGBT驱动与保护。