二代大功率IGBT短路保护和有源钳位电路设计

摘要：通过分析IGBT的器件特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模块2SC0435T作为核心部件，设计了大功率IGBT的短路保护和有源钳位电路。
关键词：IGBT模块；二代SCALE-2模块；2SC0435T；短路保护；有源钳位

0 引言
IGBT模块耐压高、电流大、饱和压降低、工作频率高，是大功率逆变器、电源等电力电子装置的首选功率器件。但IGBT抗过载能力不高，设计发挥IGBT性能、高可靠性的IGBT驱动电路，是设计者必须考虑的问题。本文从应用角度，分析了IGBT的特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模块2SC0435T为核心部件，设计了大功率IGBT的短路保护和有源钳位电路，试验验证该驱动器具有良好的驱动及保护能力。

1 IGBT的特性分析
1．1 IGBT损坏原因分析
IGBT模块在使用过程中损坏的主要原因有：VCE过压、VCE过压、过高的dv／dt、过高的静电(ESD)、过流、短路、过高的di／dt、过高的结温等，IGBT驱动电路能保护的项目有：VCE过压、VCE过压、过高的dv／dt、短路、过高的di／dt。
1．2 IGBT的外特性
图1是IGBT的外特性图，通常IGBT的datasheet中只给出额定电流的2倍曲线的外特性(左下角)，电流再大的部分属于定性不定量的示意图。

它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压、回路中的电感量及整个过程持续的时间有关系。绝大部分的短路，母线电压都是在额定点的，影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。因此依据短路回路中的电感量，可将短路分为一类短路和二类短路。
发生一类短路时，回路中的电感量很小(100nH级)，见图2。IGBT的电流会快速上升，当电流上升到4倍额定电流，IGBT发生退饱和现象，IGBT的电压会迅速上升至直流母线电压，芯片的损耗非常大。驱动器需在10us内把IGBT关断，称短路保护。

发生二类短路时，由于回路的电感量稍大(uH级)，电流爬升的速度慢(相比一类)，IGBT的Vcesat下降至饱和压降，随着电流进一步加大，饱和压降轻微上升，之后存在两种情况：
●电流能到达“退饱和点”时，Vcesat迅速上升至直流母线电压，10μs内驱动器关断IGBT，IGBT得到保护；
●当电流爬升慢，IGBT不发生退饱和现象，IGBT处于过流状态。如果不及时关断，由于电流比正常值高很多，经过若干开关周期后，IGB T损耗会比较高，结温会迅速上升，从而导致IGBT失效。此时需检测IGBT电流变化率，对IGBT进行及时关断，称过流保护。
根据IGBT特性，IGBT电流变化率可通过Vcesat检测，但由于Vcesat在饱和区内变化微弱，容易导致驱动器误保护，所以，现在IGBT驱动保护电路只进行短路保护，过流保护由霍尔电流传感器完成。[p] [p]
2．3 二代SCALE-2短路保护电路
图4为SCALE-2功能示意图，横轴电压参考点为IGBT的发射极(VE)。

与SCALE-1相比，SCALE-2去掉1个恒流源，去掉2个1N4007，工作原理是：
(1)当IGBT关断时，内部mosfet打开，Cx上电压被钳在COM，比较器不翻转；
(2)当IGBT进入导通的过程中，内部mosfet关掉，3点电位向2点充电，2点电位最终接近发射极电位；
(3)当IGBT短路时，其退出饱和区，3点电位为母线电压，2点被充电，经过定时后比较器翻转。[p]
参数设定：
注：BAS316／416为低漏电流二极管Rvce为限流电阻，最大电流为0．6mA～1mA
(1)比较器反相输入端依然为参考电压值，Vth=150μA*Rth；
(2)正常导通时，集电极还是饱和电压，大概2V左右，Dm反向截止，Cx无充电回路，同相端电压稳定；
(3)短路时，集电极电位上升至母线电压，由于Rvce限流作用，15V电源作为负载源，使得同相端电位通过给Ca充电迅速提高，最终约等于10V左右，集电极的高压主要承受在Rvce上。
响应时间与定时电容Cx、参考电压电阻Rth的关系见表2。

与SCALE-1比，SCALE-2的快速性和可靠性得到提高。

3 IGBT有源钳位电路设计
3．1 有源钳位电路的设计
有源钳位电路的目标是钳住IGBT的集电极电位，使其不要到达太高的水平，因为IGBT关断时产生的电压尖峰太高或太陡，都会使IGBT受到威胁。
IGBT正常关断时也会产生电压尖峰，但数值不会太高，如果短路时关断IGBT，产生的电压尖峰则非常高，此时IGBT非常容易被打坏。所以有源钳位电路通常在故障状态下才会动作，正常时不工作。

当TVS被击穿时，电流IAAC会流进ASIC(专用集成电路)的AAC单元。该单元会根据IAAC的大小操纵下管mosfet。当该电流大于40mA时，下管mosfet开始被线性地关断，当电流大于500mA时，下管mosfet完全关闭。此时门极处于开路状态，Iz会向门极电容充电，使门极电压从米勒平台回到+15V，从而使关断电流变缓慢，达到电压钳位的效果。这个电路的特点是TVS的负载小，TVS的工作点接近额定点，钳位的准度高。
3．2 动态有源钳位电路
在一些应用中，例如太阳能逆变器，牵引变流器等，母线电压有时可能会高于有源钳位动作的电压点，有源钳位电路会进人连续动作状态，ASIC有很大风险，此时需应用动态有源钳位电路，见图6。

将有源钳位的动作门槛设置成动态的，在IGBT导通时，门槛降低为Vth2，在IGBT关断后，延迟一段时间，然后将有源钳位的动作门槛提高到Vth1。这样IGBT在导通状态和截止状态时，其有源钳位电路的动作门槛电压是有区别的，但并不影响有源钳位电路的本意，因为IGBT在关断瞬间，钳位门槛是在Vth2。如果母线电压升高．IGBT在关断态时，钳位电路的门槛又比较高，这样能较好地解决某些应用中很现实的问题。

4 结论
根据IGBT的特性及IGBI的短路特性，驱动器只能对其进行短路保护，过流保护功能由霍尔电流传感器完成。基于二代SCALE-2模块25C0 435T设计的IGBT驱动电路，解决了IGBT短路误保护和有源钳位问题，在工程应用中得到验证。