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大家好，這期我們聊一下IGBT過壓保護措施。通常情況下，我們可以通過優化母排雜散電感或增加吸收電路減小IGBT的關斷電壓尖峰。然而這兩種方法都是減小電壓尖峰的措施而不是保護方法，面向的也是IGBT正常工況。當IGBT發生過流或短路時，產生的關斷電壓尖峰會比正常情況高很多，這時一定要采取保護措施，不然器件很有可能會因為過電壓而損壞。目前IGBT的關斷電壓尖峰保護措施主要有軟關斷和有源鉗位兩種方法。今天我們就來聊一下這兩種方法的利與弊。

首先讓我們看一下有源鉗位技術：

有源鉗位電路通過在IGBT的集電極和柵極之間串聯一定數量的瞬態電壓抑制二極管（TVS），當電壓超過TVS的鉗位電壓時，會向門極注入一定的電流。如果這個時候IGBT正在關斷，那注入的電流會使IGBT關斷速度變緩，di/dt會減小，從而集電極電壓也會減小，最基本的有源鉗位電路如圖1所示。

 圖1 基本有源鉗位電路

關于IGBT有源鉗位技術的介紹，前段時間已經分享過大牛魏煒寫的一篇技術文檔，網上也可以搜到，老耿在這里就不做深入介紹了。在這里有幾個關鍵點需要強調一下：

①：有源鉗位是一個閉環系統，只要超過了有源鉗位TVS的動作點，電路就會工作。所以無論是正常工況，還是過流、短路情況，只要IGBT關斷電壓尖峰超過了TVS鉗位電壓值，有源鉗位電路就會工作，這是有源鉗位電路的一個優勢。

②：對于圖1所示的基本有源鉗位電路，當有源鉗位電路動作時，流過TVS的電流是很大的（大部分電流都會通過Rg經過推挽電路的下管流向了-15V），所以如果TVS頻繁動作，TVS的損耗會好大，有可能IGBT沒有問題，TVS就掛掉了。當然，Concept對基本有源鉗位技術進行了改進，如圖2所示，讓大部分TVS的電流都流向門極。

圖2 Concept高級有源鉗位電路

但是對于我們自己設計的驅動電路，很難做到這一點，所以在應用時盡量還是不讓TVS動作，或者每個輸出電流周期只動作幾次。

③：有源鉗位的另外一個問題：降低了IGBT的靜態阻斷電壓。例如1700V IGBT有源鉗位動作點一般設在1350V左右；1200V的IGBT有源鉗位動作點在900V左右。當IGBT處于關斷狀態時，如果母線電壓上升到有源鉗位動作點時，TVS就會被擊穿，IGBT就會被打開，后面的事情就不敢想象了。針對該問題Concept也給出了解決方案，如圖3所示。

圖3. 動態有源鉗位電路

這種方案目前也主要針對3.3kV以上的IGBT，對于1.7kV及以下IGBT，如果采用這種方案，成本就有點高了。

讓我們再來看看軟關斷技術：

IGBT軟關斷是相對于硬關斷來定義的，硬關斷指的就是IGBT的常規的關斷過程，由于電阻小，關斷速度快，因此損耗也比較小，但是會承受一定的電壓尖峰應力。而軟關斷就是采用一個相對較大的電阻緩慢地給柵射之間的電容Cge放電，從而降低IGBT的關斷速度，避免產生過電壓。由于軟關斷產生的關斷損耗非常大，因此只有短路的時候才會觸發軟關斷，而正常情況下還是會采用硬開關。圖4為Avago公司的驅動光耦ACPL-339J推薦電路，推薦的軟關斷電阻為330Ω。

圖4. ACPL-339J推薦電路[1]

有些小伙伴會問，軟關斷只有在IGBT短路的時才會觸發。那IGBT發生過流時會怎樣呢？那只有硬抗了，如果能扛過去，ok，沒問題，扛不過去就掛掉了。當然，作為一名測試工程師，肯定不會這么無情，在IGBT上機之前，還是會做很多測試的！過流保護是必備的一個測試項目。需要強調的是：不單單要測試過流保護起不起作用，更重要的還要關注IGBT過流關斷時的電壓尖峰有沒有超額定值。

圖5展示了IGBT發生過流或短路時的關斷策略。硬件過流檢測實時性高，因此只要保證硬件過流時關斷IGBT，尖峰不會超額定值，那就沒問題。如果你的系統沒有硬件過流保護，只有軟件過流保護，那就好要好好評估器件的過壓情況了。例如：軟件的響應時間，濾波時間，從檢測過流到封波時間，這個時候電流會升高到什么程度等等。

圖5. IGBT過流、短路保護（無有源鉗位）

 有的小伙伴可能會問，這篇文章主要針對的是IGBT的關斷電壓尖峰，那母線過電壓怎么辦呢？直流母線由于電容的存在，是一個很大的慣性環節，波動不會太嚴重。如果由于能量回饋或其它原因（例如，三電平中點電位不平衡），導致的母線過電壓，驅動是沒有辦法保護的（圖3所示電路也只能在一定程度上提高TVS動作的閾值）。這種情況，控制板一般也會有硬件或軟件過壓保護。

最后，總結一下：

1. 如果IGBT驅動電路集成了有源鉗位，那軟關斷意義就不大了，可以省去；

2. 如果IGBT驅動只有軟關斷電路，那控制板最好有硬件過流保護，并且保證IGBT發生過流時的關斷電壓尖峰不會超器件的額定值。

3. 有源鉗位電路是可以頻繁動作的，前提是一定要評估IGBT和TVS的損耗在允許范圍之內，但實際為了可靠，還是盡量不讓其動作，或者只在每個電流周期的峰值動作幾次。

4. 任何一種技術都有利有弊，大家要學會根據自己的系統去平衡各種因素，這樣才能設計出性價比更高的產品。

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參考文獻：

[1] ACPL-339J datasheet.