何怡剛，王建鑫，謝 望，張鐘韜，阮 儀

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009）

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是由絕緣柵型場效應(yīng)管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）組合成的新型器件，有效結(jié)合了二者的優(yōu)點，具有輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、開關(guān)頻率高、飽和壓降低、有很大的耐壓耐流能力以及高可靠性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車行業(yè)、高速鐵路、電氣領(lǐng)域、新能源發(fā)電等傳統(tǒng)和新興行業(yè)[1]。大功率IGBT被廣泛應(yīng)用在大功率、高開關(guān)頻率的工作條件下，會產(chǎn)生很大的能量損耗，造成器件溫度過高，另外在發(fā)生故障情況下不能及時作出合理的關(guān)斷，損壞器件，造成很大損失等。驅(qū)動電路作為連接主電路和控制電路的接口，影響IGBT模塊的工作性能，能夠有效控制IGBT開關(guān)斷時間、減小開關(guān)損耗、抑制電壓和電流尖峰、防止擎住效應(yīng)，具有電氣隔離和功率放大作用，以及對IGBT在工作過程中可能遇到的各種故障進行監(jiān)測和保護，確保其工作在正常狀態(tài)下[2]。隨著電子器件行業(yè)迅速發(fā)展，大功率IGBT被廣泛應(yīng)用在各種精密條件下，要求IGBT擁有更好的工作性能以適應(yīng)不同工作狀態(tài)。文獻[3]提出的集電極-發(fā)射極電壓VCE退飽和技術(shù)，利用二極管來檢測集電極-發(fā)射極電壓VCE，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，但是當IGBT發(fā)生硬短路時，IGBT一直工作在線性階段，較長的檢測時間導(dǎo)致IGBT過電流引發(fā)的過熱，燒毀IGBT。文獻[4]提出的FPGA數(shù)字式閉環(huán)控制方法，采用數(shù)字編程處理器，控制方便靈活，提高了系統(tǒng)集成度，但是由于需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即D/A轉(zhuǎn)換，對反應(yīng)速度要求在幾微秒的IGBT來說存在較大延遲，而且由于利用了數(shù)字處理器，電路復(fù)雜，成本較高，不利于量化生產(chǎn)。

IGBT的門極驅(qū)動電阻能夠有效抑制門極-發(fā)射極回路中的無功元件產(chǎn)生的能量消耗，加速門極震蕩衰減，在控制IGBT工作性能方面起著至關(guān)重要的作用。現(xiàn)有的IGBT門極驅(qū)動電阻多采用固定阻值門極電阻來開通和關(guān)斷IGBT。根據(jù)IGBT開關(guān)特性可知，較大阻值門極電阻能夠有效控制集電極電壓和電流尖峰、防止擎住效應(yīng)，但是較大阻值電阻會減緩門極充放電速率、延長了IGBT開通和關(guān)斷時間、增大開關(guān)損耗；反之采用較小的門極電阻會導(dǎo)致集電極電壓和電流尖峰過高，但是能夠加快門極充放電速率、提高開關(guān)斷速度、減少開關(guān)損耗[5]。在IGBT工作的不同階段來接入不同阻值電阻對IGBT工作性能起著重要作用。文獻[6]中提出了改變門極電阻的方法來改善驅(qū)動性能，在正常關(guān)斷情況下采用小電阻來加快關(guān)斷速度，減小損耗，電流短路情況下采用大電阻來抑制電流尖峰。但是這種控制策略會導(dǎo)致正常關(guān)斷情況下的電壓尖峰過高，而且在短路情況下開關(guān)損耗過大，會產(chǎn)生很高熱量，減少器件使用壽命，損毀IGBT。

針對目前大功率IGBT驅(qū)動電路研究現(xiàn)狀，有必要提出一種新型的驅(qū)動控制策略，提高電子器件的可靠性和使用壽命。本文提出的大功率IGBT多級門極驅(qū)動及故障保護電路，利用發(fā)射極上寄生電感產(chǎn)生的感生電動勢VEe作為反饋信號，在大功率IGBT開通和關(guān)斷不同階段接入不同阻值電阻，能夠有效降低開關(guān)損耗，開關(guān)斷時間以及抑制電壓電流尖峰等優(yōu)點；另外，如果發(fā)生了硬短路故障或者過壓故障，利用改進型有源鉗位技術(shù)，實現(xiàn)故障軟關(guān)斷，保護IGBT。

1 IGBT開關(guān)過程分析

1.1 IGBT開通過程分析

IGBT作為一種雙極型功率半導(dǎo)體器件，結(jié)合了絕緣柵型場效應(yīng)管（MOSFET）和雙極型晶體管（BJT）的開關(guān)性能特性，開通過程主要分為三個階段：開通阻斷階段、電流上升階段和米勒平臺階段，直至IGBT完全導(dǎo)通。

1）開通阻斷階段：IGBT門極電壓由負變正，IGBT輸入電容Cies開始充電，根據(jù)電路相關(guān)知識，

其中τGS≈RG×CGE，充電時間常數(shù)τGS與門極電阻RG和門極電容CGE有關(guān)；

此時門極-發(fā)射極電壓VGe電壓開始上升，但是低于導(dǎo)通閾值電壓VGe（th），即0＜VGE＜VGE（th），集電極電流IC=0，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。

2）電流上升階段：門極持續(xù)充電，VGE＞VGE（th），此時：

集電極電流IC與門極電阻RG和門極電容CGE有關(guān)；此時IGBT開始導(dǎo)通，IC逐漸增大，產(chǎn)生電流尖峰。

3）米勒平臺階段：集電極電流由于二極管反向恢復(fù)作用電流下降到負載電流大小并保持不變，τGS=充電時間常數(shù)τGS與門極電阻RG和輸入電容Cies有關(guān)[7]。

1.2 IGBT關(guān)斷過程分析

IGBT關(guān)斷過程主要分為三個階段：關(guān)斷延遲階段、米勒平臺階段和電流下降階段，直至IGBT完全關(guān)斷。

1）關(guān)斷延遲階段：當驅(qū)動電路提供的恒定電壓變?yōu)樨撓驎r，IGBT開始關(guān)斷，門極電壓開始下降：

門極電壓VGE下降到米勒電壓時，即VGE=VGC，IGBT進入有源區(qū)。

2）米勒平臺階段：由于米勒電容CGC減小，集電極電壓VCE迅速上升，直至直流母線電壓值。

3）電流下降階段：門極電壓VGE開始下降，時間常數(shù)τGS變小，集電極電流開始下降：

隨著集電極電流IC減小，門極電壓VGE繼續(xù)減小，直至IGBT完全關(guān)斷[7]。

結(jié)合以上開通和關(guān)斷過程分析可知，小阻值門極電阻能夠縮短米勒平臺持續(xù)時間，大阻值電阻能夠減緩集電極電流變化速率，有效抑制了開通過電流和關(guān)斷過電壓的情況。

1.3 IGBT硬短路及過壓故障分析

當IGBT發(fā)生硬短路時，短路電流極大，長時間過電流會導(dǎo)致過熱損毀IGBT；另外集電極電流短時間內(nèi)迅速變化，由電感和電流以及電壓之間的關(guān)系可知，寄生電感LEe上會產(chǎn)生一個先負后正的感生電動勢VEe，在關(guān)斷階段，感生電動勢VEe會施加在母線電壓上，導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓VCE過大，引起過壓故障，擊穿IGBT。

2 驅(qū)動方案分析

通過對IGBT開關(guān)過程分析，在開關(guān)過程中為了降低電流電壓尖峰以及減少開關(guān)斷時間和損耗，提出一種分階段門極電阻接入方法，能夠有效改善IGBT開關(guān)性能，并且加入了改進有源鉗位電路，能夠?qū)崿F(xiàn)故障軟關(guān)斷，保護IGBT。如圖1所示，驅(qū)動控制模塊輸出PWM信號控制驅(qū)動功率模塊提供IGBT開通和關(guān)斷電壓，利用大功率IGBT芯片發(fā)射極寄生電感上產(chǎn)生的感生電動勢來作為反饋信號，利用電壓比較電路來選擇不同阻值電阻和故障關(guān)斷。

圖1 驅(qū)動電路示意圖

2.1 驅(qū)動模塊

驅(qū)動功率模塊包括推挽變換電路和穩(wěn)壓電路。推挽變換電路的輸出端與穩(wěn)壓電路的輸入端相連，推挽變換電路根據(jù)驅(qū)動控制模塊的PWM脈沖信號控制推挽變換電路內(nèi)開關(guān)管的導(dǎo)通，從而將推挽變換電路內(nèi)開關(guān)管的輸入電壓轉(zhuǎn)換為斬波信號，斬波信號再經(jīng)推挽變換電路內(nèi)變壓器的原邊傳遞到變壓器的副邊，通過變壓器的副邊連接到穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路斬波信號變?yōu)镮GBT的開通或關(guān)斷電壓傳遞到開關(guān)電路模塊，為IGBT提供±15V的開通和關(guān)斷電壓Vout。

圖2 驅(qū)動模塊示意圖

2.2 門極電阻選擇模塊

驅(qū)動電阻選擇模塊主要包括電壓比較模塊和電阻選擇模塊，當集電極電流發(fā)生變化時，通過發(fā)射極上寄生電感的電流發(fā)生相應(yīng)變化，因此選取發(fā)射極寄生電感上產(chǎn)生的感生電動勢VEe作為反饋信號。有前文可知，根據(jù)IGBT開關(guān)特性，當集電極電流IC變化較小時，即處于圖3中t0～t1、t2～t4、t5～t6、t7～t8階段，寄生電感上產(chǎn)生的感生電動勢VEe也較小，此時我們需要一個較小阻值的電阻來加快這一過程，減小開關(guān)時間和開關(guān)損耗；當集電極電流變化較大時，即處于圖3中t1～t2、t6～t7階段，產(chǎn)生的感生電動勢較大，此時我們需要一個較大阻值的電阻來降低電壓電流尖峰。

圖3 開關(guān)過程示意圖

如圖4所示，正常運行時，利用兩個1/4lm339電壓比較器組成的雙限比較器輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q1導(dǎo)通；若IGBT處于開通階段，驅(qū)動電壓Vout為正向電壓，經(jīng)過1號1/4lm339型電壓比較器判斷后輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q2導(dǎo)通，開通支路導(dǎo)通；當集電極電流變化較小或減小時，即VEe小于約等于零時，對應(yīng)圖3(a)中t0～t1和t2～t4階段，此時感生電動勢VEe傳遞到2號1/4lm339型電壓比較器輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q3導(dǎo)通，電阻Ron1接入門極，減少開通時間；當集電極電流變化較大時，對應(yīng)圖3(a)中t1～t2階段，2號電壓比較器輸出低電平，P型MOS開關(guān)管Q4導(dǎo)通，電阻Ron2接入門極，降低電流尖峰。

圖4 門極電阻選擇模塊

正常運行時若IGBT處于關(guān)斷階段，驅(qū)動電壓Vout為負向電壓，經(jīng)過1號電壓比較器判斷后輸出低電平，P型MOS開關(guān)管Q5導(dǎo)通，關(guān)斷支路導(dǎo)通；當集電極電流變化較小時，對應(yīng)圖4(b)中t5～t6和t7～t8階段，3號lm339型電壓比較器輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q6導(dǎo)通，電阻Roff1接入門極，減少關(guān)斷時間;當集電極電流變化較大時，對應(yīng)圖4(b)中t6～t7階段，2號電壓比較器輸出低電平，P型MOS開關(guān)管Q7導(dǎo)通，電阻Roff2接入門極,降低電壓尖峰。

IGBT發(fā)生硬短路故障時，集電極電流IC變化極大，根據(jù)公式V=L×di/dt，會在寄生電感上產(chǎn)生一個數(shù)值很大的先負后正的感生電動勢VEe，在關(guān)斷過程中還會造成過壓故障，損傷IGBT[8]。由于短路故障時感生電動勢VEe超過了雙限比較器上下限極值電壓，通過雙限比較器判斷后輸出低電平，P型MOS開關(guān)管Q8導(dǎo)通，控制模塊輸出關(guān)斷電壓，電阻Rsc1接入門極；傳統(tǒng)有源鉗位電路利用TVS管，當集電極電壓高于TVS管雪崩擊穿電壓時導(dǎo)通，集電極電流通過TVS管流入門極，加快關(guān)斷過程，但是由于電阻Rsc1側(cè)電壓電位更低，大部分電流會流過電阻Rsc1，鉗位效果偏低；改進型有源鉗位電路在電阻Rsc1側(cè)加上一個限流電路，當電流小于閾值時，由R1提供N型MOS開關(guān)管Q9的偏置電流，使其導(dǎo)通，對電流不起控制作用；當電流大于或等于閾值時，R3上的壓降增大，R3上的壓降與三極管結(jié)壓的和接近R2的壓降，于是開始限制N型MOS開關(guān)管Q9通過的電流，這樣就把電流限制在一定的水平，限制補償電流流過電阻Rsc1。另外，隨著故障保護電路發(fā)揮作用，IGBT處于關(guān)斷階段，集電極電流逐漸變小，流過電阻Rsc1的電流也逐漸變小，此時我們需要小一點的門極電阻來加快關(guān)斷過程，減少關(guān)斷損耗。將電阻Rsc1的電壓作為反饋信號傳遞到4號電壓比較器上，若流過電阻Rsc1的電流較大，則其電壓也相應(yīng)較大，此時輸出低電平，N型MOS開關(guān)管Q10關(guān)斷；若流過電阻Rsc1的電流較小，則其電壓也相應(yīng)較小大，此時輸出高電平，N型MOS開關(guān)管Q10導(dǎo)通，電阻Rsc2接入電路，與電阻Rsc1并聯(lián)后阻值變小，實現(xiàn)故障狀態(tài)軟關(guān)斷。

3 仿真分析

本文采用英飛凌FZ1500R33HE3型號大功率IGBT，在Saber仿真軟件中搭建該型號IGBT模型，通過反饋信號VEe控制改變門極電阻以及改進有源鉗位電路來驗證結(jié)果。

3.1 確定發(fā)射極寄生電感LEe

本文采用發(fā)射極寄生電感的感生電動勢作為反饋信號，求取LEe通常采用短路測試實驗[9]。短路測試實驗是將IGBT上橋臂用銅排短接如圖5 所示，測出ΔIC=5231A，VEe=-14.1v,Δt=3.7μs。由公式：V=L ×di/dt得LEe=9.9nH。

圖5 短路實驗

3.2 開通仿真分析

基于saber仿真軟件開通仿真，母線電壓取1800V，Ron1=0.8Ω，Ron2=5.3Ω。仿真結(jié)果如圖6所示，并提取特征值列于表1，ton表示開通時間，tmiller表示米勒平臺持續(xù)時間。

圖6 開通過程仿真

表1 開通仿真特征值

如圖5所示，采用變電阻開通IGBT，能夠有效降低小電阻開通模式下IC尖峰電流，并且相對于大電阻開通，降低了米勒平臺持續(xù)時間，加快開通過程，減少開通損耗。

3.3 關(guān)斷過程仿真

關(guān)斷過程與開通過程仿真條件不變，Roff1=2Ω，Roff2=7.5Ω。仿真結(jié)果如圖7所示，并提取特征值列于表2，toff表示開通時間，tmiller表示米勒平臺持續(xù)時間。

圖7 關(guān)斷過程仿真

表2 關(guān)斷仿真特征值

如圖6所示，采用變電阻關(guān)斷IGBT，能夠有效降低小電阻關(guān)斷模式下dIC/dt下降速度，抑制了電壓尖峰，并且相對于大電阻關(guān)斷，降低了米勒平臺持續(xù)時間，加快關(guān)斷過程，減少關(guān)斷損耗。

3.4 故障仿真分析

基于IGBT發(fā)生硬短路故障，Rsc1=100Ω，Rsc2=20Ω。仿真結(jié)果如圖8所示，并提取特征值列于表3，VCE，max表示集電極-發(fā)射極電壓峰值，ISC，max表示短路電流峰值，t表示總開關(guān)時間。

表3 故障仿真特征值

圖8 故障仿真

如圖8所示，改進有源鉗位電路和傳統(tǒng)有源鉗位電路都能夠降低VCE峰值，將電壓鉗位在1800V上下，避免過壓故障損壞IGBT；另外，改進有源鉗位電路相較于傳統(tǒng)有源鉗位電路能夠減少總開關(guān)時間，降低開關(guān)損耗，有效避免IGBT過熱損毀。

4 實驗分析

搭建雙脈沖實驗平臺，采用英飛凌FZ1500R33HE3型號大功率IGBT，母線電壓為1800V，實驗采用的電阻，電感等元器件參數(shù)與仿真相同，采用驅(qū)動控制器啟動后，實測波形如圖9～圖13所示，并提取特征值列如表4、表5所示。

表4 開關(guān)過程實驗特征值

表5 故障實驗特征值

圖9 Ron1開關(guān)過程

圖10 Ron2開關(guān)過程

圖11 變電阻開關(guān)過程

圖12 傳統(tǒng)有源鉗位

圖13 改進型有源鉗位

對比實驗結(jié)果，通過檢測驗感生電動勢來分階段選擇不同門極電阻能夠有效改善小電阻啟動下過高的電壓電流尖峰；并且較之大電阻啟動，開關(guān)時間明顯縮短，減少了開關(guān)損耗。硬短路情況下采用軟關(guān)斷策略來加快關(guān)斷，并且通過改進型有源鉗位鉗位集電極-發(fā)射極電壓，防止過壓故障損壞IGBT。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果近似相同，驗證了本保護方案具有可行性。

5 結(jié)語

本文根據(jù)大功率IGBT開關(guān)特性，利用集電極-發(fā)射極上寄生電感產(chǎn)生的感生電動勢作為反饋信號，通過電壓判斷電路來選擇門極電阻，提出了一種分階段改變門極電阻的驅(qū)動方案，能夠有效地降低電壓電流尖峰以及減少開關(guān)斷時間；并基于反饋信號來判斷硬短路和過壓故障，實現(xiàn)故障情況下軟關(guān)斷，保護IGBT。最后通過Saber仿真和雙脈沖實驗驗證了驅(qū)動方案的合理性。