基于柵極控制的IGBT關斷過電壓研究

尹 新， 陳 功， 沈 征， 帥智康， 唐開毅

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082)

基于柵極控制的IGBT關斷過電壓研究

尹 新， 陳 功， 沈 征， 帥智康， 唐開毅

(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082)

由于線路中雜散電感以及IGBT反并聯二極管浪涌電壓的影響，IGBT在關斷過程中會產生過電壓尖峰。通過對IGBT關斷過程的分析，提出了一種新的IGBT過電壓抑制方法，并通過pspice仿真以及實驗驗證了新的過電壓抑制方法的正確性和優勢。

雜散電感；IGBT；過電壓

由于IGBT具有MOSFET管的驅動電路簡單、驅動功率小、工作頻率較高的優點，同時又具有BJT的通態壓降較小、功率損耗較小的優勢，并隨著IGBT技術的成熟和發展，IGBT作為大功率全控型器件在電力系統中的應用越來越廣，例如交流電機、變流器、開關電源、牽引傳動、輕型直流輸電、風力發電的并網運行等。

IGBT的開關頻率一般能達到幾kHz以上，在如此高的開關頻率下，IGBT的開通和關斷時間極短。由于電路中的雜散電感以及IGBT反并聯二極管浪涌電壓的影響，會在IGBT關斷過程中產生過電壓尖峰。IGBT關斷過電壓不僅使IGBT的開關損耗增大，管殼溫度升高，而且過電壓可能使IGBT擊穿燒壞。針對IGBT過電壓，國內外學者已提出了很多解決辦法[1-4]。通過優化IGBT內部結構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，但是雜散電感無法完全消除。通過增加柵極電阻以及增加外圍的吸收電路能夠實現IGBT過電壓抑制作用，但是同時增加了開關損耗以及降低了IGBT的開關頻率。通過齊納二極管的抑制電路，能較好地抑制過電壓的產生，但是齊納二極管進行過電壓抑制時開關損耗較大，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用。基于柵極控制的IGBT過電壓抑制方法，通過短暫的導通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，因而反應延遲時間較長，電路較為復雜，從而降低了IGBT電路運行的可靠性。

針對現有IGBT過電壓抑制方法，本文通過對引起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，該方法對關斷時間的影響極小，能及時有效地抑制IGBT過電壓的產生，而且電路簡單，體積小，容易集成到IGBT驅動中。

1 米勒電容和柵極電流

為了分析IGBT過電壓產生的原理以及如何對過電壓進行抑制，首先應分析IGBT動態關斷過程。

以一個常見的IGBT關斷電路為例說明IGBT的關斷過程，圖1所示為IGBT柵極等效電路，圖中表示外加柵極電阻，表示內部柵極電阻，表示集電極-柵極電容，表示柵極-發射極電容，表示集電極-發射極電容，表示柵極驅動電壓，表示柵極-發射極電壓，表示集電極-發射極電壓。圖1中的也稱作米勒電容，在IGBT的開通或者關斷瞬態，米勒電容不是一個不變的常量，而是一個隨著變化的變量，當升高時，米勒電容將會急劇下降。

圖1 柵極等效電路

圖1所示電路的IGBT的關斷過程的電壓電流波形如圖2所示。從圖2中可知，IGBT的關斷過程可以分為4個階段。第1階段(0～1)為柵極側電壓開始下降到集電極電壓開始上升為止，在0以前，驅動信號電壓已經降到關斷電壓－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近似的恒定值，從而使維持在一個穩定的電壓值，該電壓稱為米勒平臺電壓，由于米勒電容的作用，減緩了的減小，使IGBT關斷減緩。當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內部的MOS結構開始關斷，從而集電極電流開始迅速降低，此時變化的集電極電流在寄生電感上產生電壓，從而使IGBT集電極發射極承受過電壓尖峰。第4階段(3～4)為IGBT體區中的PNP結構的電導調制效應，載流子復合從而集電極電流緩慢減低，而門極電壓繼續降低，直到驅動器的關斷電壓為止。

圖2 關斷時IGBT柵極特性曲線

從圖2可知，第2階段，即米勒效應階段，通過調節米勒電容可以調節IGBT關斷時間。1時刻開始，開始上升，d/d 引起的感應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 電路結構

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態過電壓抑制電路構成。過電壓采樣電路由兩個電阻和一個電壓跟隨器構成。動態過電壓抑制電路由一個電容、一個小功率IGBT、一個互感器和一個電壓比較器構成。兩個電阻R1、R2串聯用于檢測集電極發射極的過電壓。當檢測的電壓超過設定的參考電壓時，比較器輸出一個高電平通過互感器作用在Z2的柵極和發射極，導通Z2從而使電容C1并聯在IGBT的集電極-柵極兩端，通過米勒電容的調節抑制Z1上承受的過電壓。互感器選用信號隔離變壓器。為了防止導通時輔助電容對導通時間的影響，增加了二極管D1。

圖3 IGBT過電壓抑制電路拓撲結構

2.2 IGBT過電壓抑制的工作原理

為了詳細分析IGBT的工作情況，將IGBT的運行情況分為靜態導通、靜態關斷、動態的IGBT開始承受過電壓之前、動態關斷時IGBT集電極-發射極開始承受過電壓之后四種情況進行分析說明。

工作模式1：靜態導通時，幾乎全部電流從IGBT的集電極流到發射極，因此輔助電路不起作用。

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

3 過電壓抑制輔助電路參數設計

為了使輔助過電壓抑制電路達到更加期望的過電壓抑制效果，輔助電路元器件的參數設計可以進行一定優化。

比較器參考電壓的設定值不宜太小，否則輔助電路會誤動作，但是參考電壓設定值太高，將達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間，電壓跟隨器以及電壓比較器應選取高速的運放電路，而且參考電壓不宜選擇過高。因為過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，延遲時間越長。

輔助IGBT的額定電流在能達到通流要求的情況下應選擇盡量小，因為即使出現過電壓較大，輔助電容電壓的變化產生的脈沖電流也比較小，而且輔助電路的反應時間應越短越好，而額定電流增大，導通時間將延長，而且相應的IGBT驅動功率要求將相應增加。但是輔助IGBT的耐壓值應和主電路IGBT的相近，因為IGBT關斷后其上承受的靜態電壓和主電路IGBT承受的靜態電壓相近。

4 仿真結果

為了論證提出的過電壓電路的可行性和正確性，在pspice軟件中進行了模擬仿真，如圖4所示，選用1 700 V、1 600 A的IGBT模塊進行仿真，該IGBT模塊由4個CM400HA-34H并聯組成。電感用600 A理想電流源替代，每個IGBT承受的靜態電壓為600 V，IGBT柵極信號的頻率為1 kHz，緩沖電容取20 nF，IGBT的柵極導通電壓選取+15 V，柵極關斷電壓取－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驗設計圖

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 實驗結果

為了驗證過電壓抑制電路的有效性，采用英飛凌的FF300R17KE4進行雙脈沖實驗，實驗中母線電壓為200 V，電感為0.1 mH，脈沖寬度分別為40和10 μs，第二個脈沖導通時電流達到60 A，實驗電路和仿真的拓撲結構一致。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，驅動采用TI公司的UCC27537，輔助IGBT用英飛凌的MOS管5R950CE替代，設定的參考電壓為3.2 V，采樣電阻采用68和1 kΩ串聯。

從圖7和圖8可以看出，當沒有采用過電壓抑制電路時，IGBT關斷的的最大過電壓達到100 V，當采用過電壓抑制電路時，IGBT過電壓降低到45 V，因此很好地實現了過電壓的抑制。而且IGBT電壓的上升沿沒有減緩，因而不影響IGBT開關頻率。

圖7 未添加輔助電路的IGBT 和關斷波形

圖8 添加輔助電路的IGBT 和關斷波形

6 結論

采用新的IGBT過電壓抑制方法能有效的抑制IGBT過電壓產生，而且輔助電路簡單，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的開關損耗，能夠適用于各種場合的IGBT過電壓抑制。

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[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

國家自然科學基金資助項目(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試與故障檢測、智能信號處理。