1、引言
IGBT模塊在電力電子設(shè)備中運(yùn)用得越來越廣泛，其對驅(qū)動(dòng)器的性能要求也越來越高。IGBT可以承受短路的時(shí)間一般小于10us，短路時(shí)最大電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定值，單位時(shí)間功耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常工作狀態(tài)。短路時(shí)如果不能迅速采取保護(hù)措施關(guān)斷IGBT，則IGBT可能會(huì)被熱擊穿。
由于連接IGBT模塊的母線存在雜散電感，如果保護(hù)IGBT時(shí)關(guān)斷速度過快，會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)斷尖峰電壓，該尖峰電壓將會(huì)損壞IGBT模塊。因此需要軟關(guān)斷技術(shù)在IGBT短路時(shí)將其緩慢關(guān)斷，防止關(guān)斷尖峰電壓過高導(dǎo)致IGBT損壞。
目前的常用方法是在PCB板上搭建電路實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，具體方式是檢測到短路后，通過一個(gè)RC電路對IGBT門極放電。該方式有以下缺點(diǎn)：
1、不同應(yīng)用條件下需對RC參數(shù)做調(diào)整，比較復(fù)雜；
2、RC放電在開始時(shí)刻門極電壓下降最快、dV/dt最大，對應(yīng)的關(guān)斷尖峰電壓也最大；隨后門極電壓下降速度變慢，會(huì)造成總的關(guān)斷時(shí)間變長；為了減小關(guān)斷尖峰電壓，就必須選擇較大的RC時(shí)間常數(shù)，而這就會(huì)導(dǎo)致更長的關(guān)斷時(shí)間；
3、增加PCB面積和BOM成本。
青銅劍技術(shù)自主研發(fā)的驅(qū)動(dòng)芯片將軟關(guān)斷技術(shù)集成于芯片內(nèi)部。在IGBT發(fā)生短路后，讓IGBT門極電壓跟隨內(nèi)部基準(zhǔn)VREF電壓下降，使得軟關(guān)斷時(shí)間與開通電阻、關(guān)斷電阻和IGBT型號幾乎無關(guān)，同時(shí)在不同的應(yīng)用場合都可以可靠保護(hù)軟關(guān)斷。
2、集成軟關(guān)斷技術(shù)
集成軟關(guān)斷技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法如下圖所示：
在IGBT開通時(shí)刻，PWM控制電壓由低電平變?yōu)楦唠娖�，將IGBT打開。此時(shí)圖中所示開關(guān)SW1為閉合狀態(tài)，內(nèi)部基準(zhǔn)VREF電壓與IGBT門極分壓值GH_DIV相等。
當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，IC內(nèi)短路檢測模塊將會(huì)觸發(fā)保護(hù)，控制PWM信號由高電平到低電平，將開通MOS迅速關(guān)閉。此時(shí)，關(guān)斷MOS保持關(guān)閉，開通MOS和關(guān)斷MOS同時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，IGBT門極電壓保持不變。
隨后斷開SW1，內(nèi)部基準(zhǔn)VREF電壓按內(nèi)部設(shè)定波形下降。初始時(shí)刻，由于VREF電壓下降，其與由分壓網(wǎng)絡(luò)得到的GH_DIV將產(chǎn)生壓差。比較放大模塊對壓差進(jìn)行放大，并通過控制模塊和功率輸出模塊控制關(guān)斷MOS開通，對IGBT門極進(jìn)行放電，IGBT門極電壓開始下降；IGBT門極波形的下降會(huì)反饋至分壓網(wǎng)絡(luò)，使得GH_DIV隨之下降，最終跟隨VREF電壓下降，形成閉環(huán)反饋。
最終， IGBT門極電壓始終保持和驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓同樣的趨勢下降，達(dá)到軟關(guān)斷的目的。其中，有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意：
關(guān)鍵點(diǎn)一：VREF波形
VREF波形采用分段下降方式，減小總體關(guān)斷時(shí)間。具體分為四個(gè)階段：初始狀態(tài)step1；軟關(guān)斷階段step2；軟硬緩沖階段step3；硬關(guān)斷階段step4。如下圖所示：
step1初始狀態(tài)：IGBT處于正常開通狀態(tài)，開通電壓為15V，整個(gè)反饋環(huán)路不工作。
step2軟關(guān)斷階段：當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，反饋環(huán)路控制IGBT門極電壓緩慢下降，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。
step3軟硬緩沖階段：門極電壓下降到0V后，會(huì)保持一段時(shí)間不變，這段時(shí)間作為軟關(guān)斷和硬關(guān)斷之間的緩沖階段。
step4硬關(guān)斷階段：step3以后，環(huán)路就認(rèn)為IGBT已完成軟關(guān)斷過程，將控制門極電壓直接下降到-10V，減小關(guān)斷時(shí)間。
關(guān)鍵點(diǎn)二：環(huán)路響應(yīng)特性
在不同的應(yīng)用環(huán)境中，母線電壓、拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)、IGBT型號、開通電阻和關(guān)斷電阻都不一樣，對應(yīng)的IGBT等效門極電容范圍可達(dá)1nF~1uF，這些因素都會(huì)影響軟關(guān)斷特性。IGBT門極作為閉環(huán)反饋環(huán)路的輸出節(jié)點(diǎn)，這樣一個(gè)寬泛的門極電容范圍將對閉環(huán)反饋環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提出了極大的挑戰(zhàn)。
如果環(huán)路響應(yīng)太快，那么在大的門極電容應(yīng)用時(shí)，環(huán)路很容易發(fā)生自激振蕩，如下圖所示：
圖 3.環(huán)路響應(yīng)太快測試結(jié)果
如果環(huán)路響應(yīng)太慢，那么在小的門極電容應(yīng)用時(shí)，環(huán)路可能響應(yīng)滯后導(dǎo)致失調(diào)，門極電壓會(huì)出現(xiàn)下沖，嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全失去軟關(guān)斷效果。如下圖所示：
圖 4.環(huán)路響應(yīng)太慢測試結(jié)果
為了解決這個(gè)問題，本方案采用了獨(dú)有的自適應(yīng)環(huán)路響應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，通過識別門極電壓下降速度配置不同的環(huán)路響應(yīng)參數(shù)，使得在不同的門極電容工況下都可以實(shí)現(xiàn)良好地跟隨特性和軟關(guān)斷效果。
下圖為IGBT門極等效電容Cgate分別為1nF（左）和1uF（右）下的仿真結(jié)果：
從仿真結(jié)果可以看出，針對不同的負(fù)載電容(1nF~1uF)，軟關(guān)斷時(shí)間基本保持不變，門極電壓可以較好的跟隨內(nèi)部基準(zhǔn)電壓下降。
3、實(shí)測結(jié)果
測試條件：
環(huán)境溫度：25℃，直流母線電壓：800V，短路電流：3300A，Rgon = 1.3Ω，Rgof'f= 1.8
從測試結(jié)果可以看出，IGBT軟關(guān)斷時(shí)間約1.8us，關(guān)斷峰值電壓為976V，遠(yuǎn)在其標(biāo)稱值1200V以下。
4、總結(jié)
對于IGBT驅(qū)動(dòng)來說，如何實(shí)現(xiàn)高效可靠且適應(yīng)性強(qiáng)的短路軟關(guān)斷，是非常有價(jià)值的課題。青銅劍技術(shù)推出的集成軟關(guān)斷技術(shù)，不僅可以降低成本，還能適用于不同應(yīng)用場合，軟關(guān)斷時(shí)間幾乎不受IGBT型號、開通關(guān)斷電阻和工作電壓的影響，可以可靠的保護(hù)IGBT，保證電力電子設(shè)備的安全運(yùn)行。
