IGBT过电压保护电路优化方案

IGBT会因过电电压等异常现象有可能损坏，因此，IGBT保护电路的设计尤为重要，要设计出与器件特性相匹配的过电压保护电路。IGBT过电压可分为集-射过电压、栅-射过电压、高dv/dt所致过电压等几类，对于由高dv/dt所致的过电压故障，简单又有效的保护方法就是采用电压钳位，在IGBT集-栅两端并接齐纳二极管，采用栅极电压动态控制，当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的钳位电压时，超出的电压将叠加在栅极上（米勒效应起作用），可避免了IGBT因受集-射过电压而损坏。

采用栅极电压动态控制可以解决由于过高的dv/dt带来的集电极发射极瞬间过电压问题，但它的弊端是当IGBT处于感性负载运行时，半桥结构中处于关断的IGBT，由于其反并联二极管（续流二极管）的恢复，使得其集-射两端的电压急剧上升，承受瞬间很高的dv/dt，多数情况下该dv/dt值要比IGBT正常关断时的集-射电压上升率高，由于米勒电容（C_res）的存在，该dv/dt值将在集电极和栅极之间产生一个瞬间电流，流向栅极驱动电路，该电流与栅极电路的阻抗相互作用，直接导致栅-射极电压V_GE升高，甚至超过IGBT的导通门限电压V_GEth值，出现恶劣的情况就是使IGBT被误触发导通，导致桥臂短路。第3代IGBT模块门限电压V_GEth最小值（5V）比原来的NPT型IGBT模块（现在普遍使用的DLC后缀模块V_GEth值为4.5V）的要高，其抵抗由于米勒效应引起的误触发短路故障能力更强，这样，由于导通门限更高，第3代IGBT模块具有更强的抗干扰能力，可以更多的减少由于误触发所导致的直通短路故障的发生。

1.IGBT栅极过电压保护电路

如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高，超过栅极-发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；IGBT的栅极-发射极驱动电压V_GE的保证值为±20V，如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极间开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极-发射极有电流流过。这时若集电极和发射极间处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。IGBT的栅极出现过电压的原因有两个：

1）静电聚积在栅极电容上引起过电压，可能会损坏栅极结构。

2）电容密勒效应引起的栅极过电压，会导致短路电流的猛烈上升。

如果设备在运输或振动过程中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下给主电路加上电压，则IGBT可能会损坏。为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极。如图5-1所示。由于IGBT的V_ce（sat）和短路耐量之间的折衷关系，应将栅极电压选为：+V_G=15（1±10%）V；-V_G=5～10V

2.集电极与发射极间的过电压保护电路

图5-1 栅极过电压保护电路

加在IGBT集电极与发射极的电压超过集电极-发射极之间的允许值，则IGBT可能永久性损坏；IGBT的栅极-发射极过电压的产生主要有两种情况：

（1）直流过电压

施加到IGBT集电极-发射极间的直流电压过高，而引发直流过压产生的原因是，由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT时，进行降额设计；另外，可在检测出这一过电压时分断IGBT的输入，以保证IGBT的安全。

（2）浪涌过电压

集电极-发射极上的浪涌电压过高是因为电路中分布电感的存在，加之IGBT的开关速度较高，当IGBT关断瞬间与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压Ldi/dt，威胁IGBT的安全。通常IGBT的浪涌电压波形如图5-2所示。在图5-2中，V_CE为IGBT集电极-发射极间的电压波形；i_c为IGBT的集电极电流；V_d为输入IGBT的直流电压；V_CESP=V_d+Ldi_c/dt为浪涌电压峰值。如果V_CESP超出IGBT的集电极-发射极间耐压值V_CES，就可能损坏IGBT。通常集电极电流越大，则关断时的浪涌电压越大。集电极电流在额定电流的几分之一到几十分之一的低电流范围时，FWD在反向恢复时的浪涌电压变大。解决的办法主要有：

1）在选取IGBT时考虑设计裕量。

2）在电路设计时调整IGBT驱动电路的R_G，使di/dt尽可能小。

3）尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感。

4）根据情况加装缓冲保护电路。

为了理解dv/dt感应开通现象，必须考虑跟IGBT结构有关的电容。图5-3所示为3个主要的IGBT寄生电容。集电极到发射极电容C_CE，集电极到栅极电容C_GC和栅极到发射极电容C_GE。这些电容对桥式变换器设计是非常重要的，大部分的IGBT数据表中都给出这些参数：

图5-2 IGBT的浪涌电压波形

图5-33 个主要的IGBT寄生电容

输出电容，C_OES=C_CE+C_GC（C_GE短路）。

输入电容，C_IES=C_GC+C_GE（C_CE短路）。

反向传输电容，C_RES=C_GC。

图5-4所示为用于变换器设计中的典型半桥电路，集电极到栅极电容C_GC和栅极到发射极电容C_GE组成了动态分压器。当高端IGBT（VT2）开通时，低端IGBT（VT1）的发射极上的dv/dt会在其栅极上产生正电压脉冲。对于任何IGBT，脉冲的幅值与栅驱动电路阻抗和dv/dt的实际数值有直接关系。IGBT本身的设计对减小C_GD和C_GS的比例非常重要，它可因此减小dv/dt感应电压幅值。(www.xing528.com)

图5-4 变换器中的典型半桥电路

如果dv/dt感应电压峰值超过IGBT的阀值，VT1产生集电极电流并产生很大的损耗，因为此时集电极到发射极的电压很高。为了减小dv/dt感应电流和防止器件开通，可采取以下措施：

1）关断时采用栅极负偏置，可防止电压峰值超过V_th，但驱动电路会更复杂。

2）减小IGBT的C_GC寄生电容和多晶硅电阻R_g’。

3）减小本征JFET的影响。

反向偏置关断的典型IGBT寄生电容与V_CE的曲线如图5-5的示。C_RES曲线（及其他曲线）表明一个特性，电容一直保持在较高水平，直到V_CE接近15V，然后才下降到较低值。如果减小或消除这种“高原”（plateau）特性，C_res的实际值就可以进一步减小。

图5-5 反向偏置关断的典型IGBT的寄生电容与V_CE的曲线

这种现象是由IGBT内部的本征JFET引起的，如果JFET的影响可以最小化，C_IES和C_OES可随着V_CE的提高而很快下降。这可能减小实际的C_RES，即减小dv/dt感应开通对IGBT的影响。

3.IGBT开关过程中的过电压

（1）关断浪涌电压

关断浪涌电压是在IGBT关断瞬间，流过IGBT的电流被切断而产生的瞬时电压，它是感性负载L及电路中漏电感L_p而产生的。其值为L_p＊=L+L_p，则V_p＊=V_ce+V_p，而V_p=L_p^＊×di/dt，在极端情况下将产生V_p^＊＞V_ces（额定电压）而导致器件损坏，为此要尽可能减小电感L和电路中的漏电感L_p，电路中的漏电感L_p由器件制造结构而定，在电路设计时应合理布线，以缩短线路长度，并应适当加粗线路等。

关断IGBT时，它的集电极电流下降率较高，极高的下降率将引起集电极过电压，并且由于电路中的杂散电感与负载电感的作用，将在IGBT的C、E两端产生很高的浪涌尖峰电压V_CE=Ldi_c/dt，加之IGBT的耐过压能力较差，这样就会使IGBT击穿，因此，过压保护电路设计是十分重要的。降低IGBT集-射极间电压V_CE的方法通常有两种：一种是增大栅极电阻R_G，但R_G的增大将减缓IGBT的开关速度，从而增加开关损耗，此方法不太理想；还有一种就是采用缓冲吸收电路。所以针对关断浪涌过电压的保护可以从以下几个方面进行：

1）尽可能减少电路中的杂散电感。作为模块设计制造者来说，要优化模块内部结构（如采用分层电路、缩小有效回路面积等），减少寄生电感；作为使用者来说，要优化主电路结构（采用分层布线、尽量缩短接线等），减少杂散电感。

2）在整个线路上多加一些低阻低感的退耦电容，进一步减少线路电感。所有这些，对于直接减少IGBT的关断过电压均有较好的效果。

（2）恢复浪涌电压

续流二极管为当IGBT下臂关断，电感性电流就可在上臂续流管提供通路（这时处正向导通），它将减小di/dt值，防止产生过电压。但当下臂导通时，续流二极管反向恢复，变为负值而关断，电流将要下降为零值，因L_p存在而产生浪涌电压，阻止电流的下降，尤其当使用硬恢复二极管时，将产生较高的反向恢复di/dt值，可导致很高的瞬时电压出现。

IGBT关断时，IGBT集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上感应出较高的过电压，导致IGBT关断时使其电流电压的运行轨迹超出它的安全工作区而损坏。所以从关断的角度考虑，希望主电路的电感和电流下降率越小越好。但对于IG-BT的导通来说，集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流，能减小导通损耗，承受较高的导通电流上升率。一般情况下IGBT开关电路的集电极不需要串联电感，其导通损耗可以通过改善栅极驱动条件来加以控制。

4.接地回路形式

当栅极驱动或控制信号与主电流共用一个电流路径时，会导致出现本应是地电位，而实际有几伏的电位值，使本来偏置截止的器件，可能发生导通，而造成误动作。三种避免接地回路噪声的电路如图5-6所示。

图5-6a所示电路存在共地回路电位问题的，它的栅极电路地线与主电路母线相通，适用于小于100A，六合一封装器件，但仍要高反偏置电压5～15V。图5-6b所示电路对下半臂器件选用独立栅极电源供电，采用辅助发射极和驱动电源耦合电容的方法，能使接地回路噪声得到最好抑制，适用200A以下模块。图5-6c所示电路对下半臂每一个栅极驱动电路，都采用了分离绝缘电源，以消除接地回路的噪声问题，效果更好，适用≥300A的模块。在IGBT的保护电路设计时应注意的几点事项：

1）IGBT由于受集电极-栅极的寄生电容的密勒效应的影响，能引起意外的电压尖峰损害，所以设计时应让栅极的阻抗足够低，以尽量消除其负面影响。

2）应采用慢降栅压技术来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的dv/dt和V_GE的峰值，达到短路保护的目的。

图5-6 避免接地回路噪声电路

3）在工作电流较大的情况下，为了减小关断过电压，应尽量减小主电路的布线电感，吸收电容应采用低感或无感型。