如何抑制IGBT集電極過壓尖峰

在過去的文章中，我們曾經(jīng)討論過IGBT在關斷的時候，集電極會產(chǎn)生電壓過沖的問題（回顧：IGBT集電極電壓超過額定電壓會發(fā)生什么？）。

IGBT關斷時，集電極電流Ic迅速減小到0，急劇變化的di/dt流經(jīng)在系統(tǒng)雜散電感，產(chǎn)生感應電壓ΔV。ΔV疊加在母線電壓上，使IGBT承受高于平常的電壓應力。哪怕這電壓尖峰時間很短，也可能對IGBT造成永久性損壞。

di/dt與IGBT芯片特性有關，也與關斷時器件電流有關。當器件在短路或者過流狀態(tài)下關斷時，集電極電壓過沖會格外大，有可能超過額定值，從而損壞IGBT。

所以如何抑制關斷時的電壓尖峰，是一個值得探討的話題。

從集電極過沖電壓計算公式：

V=Ls*di/dt

我們可以看出，降低電壓過沖有兩條路：

1. 降低系統(tǒng)雜散電感

2. 減小電流，從而降低電流變化率di/dt

3. 驅動慢一些，從而降低電流變化率di/dt

要降低系統(tǒng)雜感，是一個系統(tǒng)層面的問題，這個我們單開題再說。

但降低電流變化率di/dt會增加關斷損耗，如何解決這樣矛盾呢？

本文主要想從驅動設計的角度，探討一些降低電流變化率，從而抑制電壓過沖的方法。

降低電流變化率，很多人想到的第一個辦法是增加門極電阻，但這一方法并不總是有用，尤其是對FS+trench stop的技術。略微增加門極電阻甚至可能增加di/dt，當門極電阻增加到非常大的時候，才會降低di/dt。一味地增加門極關斷電阻，會顯著增加關斷損耗，因此這種方法并不可取。

IGBT4的關斷波形改變門極電阻，集電極過電壓并沒有明顯變化

那么除了增加門極電阻，還有什么辦法可以降低di/dt？從驅動角度看，有三種辦法：

1 兩電平關斷

兩電平關斷的思路是在關斷過程中減慢關斷速度，減少di/dt，從而把關斷過電壓降低到一個合理的值。當IGBT被 關斷時，柵極電壓不是直接降低到0V或者負電壓，而是在很短的時間內，柵極電壓先降到UTLTO，這個電壓低于正常導通電壓，但是高于米勒平臺的電壓。然后再從UTLTO降低到0V或者是負電壓。一般來說，UTLTO可以選擇9~14V之間的電壓，UTLTO的電壓和持續(xù)時間長度可調節(jié)。

兩電平關斷功能可集成在IGBT驅動芯片中，比如1ED020I12-FT。兩電平關斷的電壓和持續(xù)時間通常用一個電容CTLTO或者電容與電阻的結合體來實現(xiàn)。當電容充電達到一個特定的值，就會觸發(fā)驅動器的輸出信號UOUT，如果輸入信號Uin比設定的tTLTO短,輸入信號通常會被抑制,而輸出信號會保持不變。

下圖給出了有無TLTO功能的關斷短路電流對比。圖a沒有使用TLTO技術而關掉了短路,而圖b顯示應用了TLTO關斷的波形。能很清楚地看到，柵極電壓和發(fā)射極-集電極電壓中的強烈振蕩明顯減輕，更重要的是產(chǎn)生的過電壓降低了。在這個例子中,圖a中出現(xiàn)了1125V的峰值電壓。在圖b所示的測量方法中,電壓只有733V(在每個例子中直流母線電壓為400V,且都使用了一個400A/1.2kV的IGBT)。

(a)沒有TLTO功能

(b)有TLTO功能

兩電平關斷功能可以集成在驅動芯片中。傳統(tǒng)的集成兩電平關斷功能的IGBT驅動器IC如下圖所示。TLSET引腳外接一個肖特基二極管和一個電容，肖特基二極管用來設定兩電平關斷的電壓；而電容用來設定兩電平關斷的時間。

1ED020I12_BT/FT

而英飛凌最新推出的X3 Enhanced 驅動芯片， 1ED38X1MX12M，不需要外接電容電阻，只通過數(shù)字化的配置，即可設置兩電平關斷的電平及持續(xù)時間， 可簡化電路設計及BOM。

1ED38X1MX12M

1ED38X1MX12M 兩電平關斷時序圖

1ED38X1MX12M兩電平判斷參數(shù)設置檔位

2 軟關斷

軟關斷能夠保證短路狀態(tài)下的安全關斷。如果驅動檢測到短路，軟關斷功能不是用標準的關斷電阻將IGBT的柵極電壓拉低至0V或者負電壓，而是使用一個相對高的阻抗來釋放門極電流，該阻抗能夠延遲柵極電容的放電，使IGBT關斷速度變慢。一旦柵極電壓降低到某個值（例如2V），高阻抗就會被一個低阻抗 短路，這樣可以確保快速而完全地給柵-射極電容放電。軟關斷的原理如下圖所示。

具有軟關斷功能的IGBT驅動有英飛凌1ED34X1MX12M、1ED38X1MX12M，這兩款芯片分別通過模擬和數(shù)字的方式來配置軟關斷電流，均有多達16檔的軟關斷電流檔位可選擇。

1ED34X1MX12M

1ED38X1MX12M

1ED3431的軟關斷電流調節(jié)檔位

3 有源鉗位

又稱為集射極鉗位，下面是有源鉗位的典型實現(xiàn)方式：

有源鉗位的原理是：在關斷的過程中，IGBT  CE間因為di/dt產(chǎn)生電壓尖峰。只要集電極處的電位超過了二極管VD1的雪崩電壓， 單向的TVS二極管VD1就會導通且通過電流。電流I1流過VD1,VD2,RG和VT2，如果在柵極電阻Rg上產(chǎn)生的壓降高于IGBT的閾值電壓Vth，則IGBT再次開通，從而降低了關斷過程中的di/dt。因此，為了增加柵極電壓，必須產(chǎn)生足夠的電流。

如果IGBT外部柵極電壓為1ohm，柵極電壓為-15V， 而閾值電壓為6V，為了再次開通IGBT，必須使有源鉗位的電流大于21A，因此TVS二極管VD1和阻斷二極管VD2必須滿足21A脈沖電流的需求。此外，TVS管必須是高壓二極管，常用的系列型號為1.5KExxx

但此種電路也有缺點，如擊穿電壓與溫度密切相關，而且阻斷二極管結電容較大，IGBT開關時，位移電流會被du/dt額外加大。

另一個更簡潔的方法是把信號反饋到驅動推挽電路之前，如下圖:

電流I2通過阻斷二極管VD5、電阻R2和MOSFET VT8。電阻R2比RG的阻值 要高很多，所以只要電流I1有一部分流出就能產(chǎn)生足夠的電壓來打開VT5和關閉VT6。一旦VT5導通，I1不再通過柵極電阻RG，而是對輸入電容CGE充電。所有這些對電路有如下好處:

1. 因為通過二極管的電流很低，可以用更便宜的TVS SMD二極管。

2. 所需要的空間僅由爬電距離和電氣間隙來決定。

3. 電路反應非?？?。

以上是幾種普遍使用的集電極電壓尖峰抑制的方法。其中有源鉗位需要高壓二極管，附加成本較高；兩電平關斷可集成在驅動芯片中，傳統(tǒng)方案僅需在驅動芯片外加二極管和電容，而最新的英飛凌1ED X3 digital版本芯片，不需外接器件即可實現(xiàn)兩電平關斷的參數(shù)調節(jié)。并且，1ED X3 analog/digital芯片還集成了軟關斷功能，無需外圍器件，即可實現(xiàn)16檔軟關斷電流的調節(jié)。