浙　　江　　大　　学　　学　　报

Jou rnal of Zhejiang U n iversity

(自然科学版)

(N atural Science)

№1V o l.31

Jan.1997 IGB T过流保护方法的研究①

王正仕　陈辉明　吴益良　向　群

(浙江大学电力电子技术研究所,杭州,310027)

提　　要

　　介绍了IGBT过流的特点和过流保护的特殊问题,给出了过流保护的方法和综合保护的方案,并进行了试验,还介绍了过流保护中的抗干扰措施.

关键词:IGB T;过流;保护;慢降栅压;慢关断

中图法分类号:TN34

0　引　言

　　绝缘栅晶体管(IGB T),既具有少子器件GTR的通态压降低,易高压大电流的优点,又兼有多子器件M O SFET的开关速度快、无二次击穿、驱动微功耗的长处,被认为是最有前途、理想的电力电子器件之一,在新一代电力电子装置中得到了广泛的应用.

　　过流保护是IGBT应用中的关键技术,由于IGB T器件本身以及它在电路中运行条件的特点,决定了IGBT的过流保护和GTR、GTO、M O SFET等其他自关断器件相比,有很大的差别.

1　IGB T过流的特点

1.1　能够承受过流的时间短

　　IGBT能够承受过流的时间通常仅为几个Λs,因此要求检测、保护电路的响应速度要快.为了对过流期间的各种信息进行处理(如甄别真、假过流),希望能够延长器件允许承受过流的时间,这是通过降栅压保护实现的.

1.2　擎住效应

　　由于IGBT器件在结构上有一个寄生晶闸管,若此晶闸管一旦触通,I GBT便会失去栅极的控制而无法关断,产生擎住现象.流过I GB T的稳态电流过大会产生静态擎住;而在开通和关断过程中,若开、关速度过快,也会使寄生晶闸管触通,产生动态擎住.

1.3　过流状态和栅极驱动电压有关

　　在相同的应用电路中,由于栅极驱动电压的不同,I GBT能够承受过流的时间也不同,受

①本文于1995年3月23日收到　　王正仕:男,1965年出生,讲师

到过流冲击的大小幅度也不同.图1给出了过流状态和驱动电压的关系:当栅极驱动电压V ge =10V 时,器件受到250A 的过流冲击,能够承受的时间仅为5Λs;当驱动电压V ge =15V ,器件受到过流冲击的幅度下降到100A ,同时能够承受过流的时间可延长到15Λs .图2是IGBT 的一组过流典型失效曲线,可以看出,过流时若降低栅极驱动电压,则可以延长I GBT 能够承受过流的时间

.

图2　IGBT 典型失效曲线

34第1期　　　　　　　　王正仕等:IGB T 过流保护方法的研究　　　　　　　　　　

　　IGBT的过流保护电路除了要求能够检测过流信号,在器件能够承受过流的时间内,封锁栅极驱动信号以外,还需解决以下几个问题,否则仍将导致器件损坏.

2.1　过压击穿

　　IGBT处在过流的大电流状态下,若保护电路将其快速关断,极大的电流下降率d i d t将在电路的感性元件、外电路杂散电感和内封电感上感应出一个大小为L d i d t的电压,过高的电压过冲会造成IGBT雪崩击穿,使器件失效.对于常工作于高压、大电流下的I GB T,防止过流保护时,因快速关断,造成的过压击穿,显得尤为突出.无论是降栅压的速度,即慢降栅压(如栅压V ge由15V降到10V的速度),还是慢关断的速度(如栅压V ge再由10V降到-5V),都必须考虑由此造成的电压过冲L d i d t.

2.2　擎住

　　过流保护时,极大的电流下降d i d t和极大的电压上升d u d t,容易造成寄生晶闸管的触通.一旦发生擎住现象,即使在IGBT栅极加上-5V的关断电压,也无法使其关断.为避免发生擎住,关断速度应受到.

2.3　热损坏

　　在过流、保护关断这段时间内,IGB T同时承受大电流和高电压,器件热功耗急剧增加.为了防止热损坏,过流的时间也受到了.

3　过流保护的方法

　　由以上介绍可以看出,IGB T过流保护在实现器件过流保护的同时,还必须解决保护动作带来的过电压冲击、擎住和热损坏问题,而这些在很大程度上取决于器件的关断方式.作为自关断器件,IGBT的关断方式可以通过对其栅极驱动电压的控制来实现.

3.1　降栅压保护

　　当IGB T出现过流时,先将其栅极驱动电压降低,然后再将其关断.这种保护有两大优点:一是延长了IGB T能够承受过流的时间,二是可以降低过流的幅度.文献1给出了降栅压时,集极电流I c的轨迹,如图3所示,虚线为不降栅压时电流I c轨迹:流过IGB T正常电流为40A,瞬时过流,电流I c迅速上升到220A,图3(a)为过流时将栅极电压由15V下拉到10V,大约10Λs 后过流撤除,I c恢复到原状态,IGBT栅极也恢复15V全栅压驱动;图3(b)为过流条件下,栅压V ge由15V下降到8V,过流一直持续,10Λs后关断IGB T.

　　从以上电流轨迹可以看出:过流时,若仍保持全栅压驱动,则I GBT过流幅度大、持续时间长;若将栅极驱动电压降低,则IGB T过流幅值小,电流很快回落,持续大电流的时间短.降栅压保护是IGB T过流保护的基本方法之一.

　　降栅压带来的问题是过流时器件通态压降的升高,这样管子瞬时热损耗急剧增大,为防止热损坏,这个时间应足够短.事实上,过流保护电路的整个响应时间通常小于10Λs.

图3　降栅压保护的电流轨迹

3.2　慢降栅压保护

　　这里的慢降栅压指的是降栅压保护时,栅极驱动电压V ge 由正常的15V 下降到到保护时的10V (或8V 等),电压下降速度不能太快,这主要是为了避免擎住效应和防止d i d t 引起的电压过冲.图4示出了不同的降栅压速度时,电压过冲的波形.图4(b )的降栅压速度慢于图4(a ),

电压U ce 的过冲也小于图4(a ).

图4　降栅压速度与电压过冲的关系

3.3　慢关断保护

　　与上述不同,慢关断是指器件的关断速度,对应于栅极,是驱动电压V ge 由保护栅压(如10V 或8V )到关断栅压(-5V )的下降过程.慢关断保护也是为了防止过压冲击和擎住效应.图5为IGBT 处于过流状态下,不同的关断速度时,d i d t 引起的电压U ce 过冲情况.显然,关断速度越慢,电压过冲越小.慢关断保护也是IGBT 过流保护的基本方法,富士公司的IGBT 专用驱动保护模块EXB 系列中,也采用了该方法.

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4第1期　　　　　　　　王正仕等:IGB T 过流保护方法的研究　　　　　　　　　　

图5　关断速度与电压过冲的关系

4　过流保护中的抗干扰

　　这里的“干扰”是指过流出现,但在IGBT 允许的时间内就自行消失的现象.如果此时保护电路将IGBT 关断,就相当于造成一次没有必要的“扰动”掉闸.采用以下两种方法可以甄别过流的真假.

4.1　延时搜索法

　　也即延长检测的时间.若IGB T 出现过流,且一直持续(如几个Λs ),则可判为真过流;若过流迅速消失,则可认为是“假性过流”.检测时间的延长,意味着I GB T 处于过流状态时间的延长.因此延时搜索法通常与降栅压保一起运用.

4.2　脉冲计数法

　　过流信号一出现,保护电路就封锁本周期的驱动开通信号,下一个周期开通信号到来,封锁已撤除,IGBT 再次被驱动导通,若此时过流仍存在,再一次封锁这一周期的开通信号.这样,若连续几次(超过预先设定的次数)出现过流,保护电路将撤除开通信号,直至过流故障被清除;如果连续检测到的过流信号次数少于预先设定的次数,则认为是“假性过流”而不与响应.

5　综合保护的设计

　　综合保护的目的是为了获得合理的关断方式,改善保护关断时器件上的电流、电压轨迹.当IGB T 过流时,保护电路首先设法延长器件能够承受过流的时间,并使大电流回落,为关断创造条件,然后再合理关断.这个过程中应该能够甄别“真假过流”.显然,慢降栅压保护、降栅压保护、慢关断保护都被采用.如前所述,这些保护方法都是通过控制栅极驱动电压的变化来实现的.综合保对栅极驱动电压的控制如图6所示.IGBT 在时间为t 0时出现过流,延时t d 1=t 1-t 0,过流持续,栅压V ge 由15V 以5V Λs 的速度慢降至10V ,然后保持V ge =10V ,再延

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图6　综合保护时栅压V gv 的变化波形

时t d 2=t 3-t 2,若过流持续,则从t 3开始慢关断,V ge 由10V 降至t 4时的-5V.两次延时用以甄别真假过流.

综合保护的动作流程如图7.

图7　综合保护动作流程设计7

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6　过流保护试验及结论

　　过流保护试验的波形如图8所示:流过I GB T 电流I c 为15A ,过流时电流I c 上冲到75A ,保护动作,使电流I c 关断.由于采用慢降栅压和慢关断,器件上电压U ce 在关断过程中因电流下降造成的过冲尖峰也受到了控制

.

图8　过流保护试验的电流、电压动态轨迹

　　通过以上介绍和试验结果,有以下结论:综合保对改善I GBT 过流及关断时的电流、,合理选取参数(如降栅压幅值、速度,慢关断速度),实现过流保护是可能的:

　　(1)降栅压可以延长IGBT 能够承受过流的时间,并且减小过流冲击;

　　(2)慢降栅压和慢关断可以避免发生擎住、减小电压过冲.

参　考　文　献

1　L arrg R inehait .D esigning sho rt cirouit p ro tecti on into P WM transisto r inV erters .Pow er Convevsi on .O ctober 1990-P roceedings

2　Castino G .IGBT 短路保护,I R 公司资料AN -984

3　R ahul Chokhaw ala ,Jam ie Catt .L aszlo K iraly A D iscusslon on IGBT Sho rt C ircuit Behvi o r and Fault

P ro tecti on Schem es ,A PEC’93,393

～4014　L ocher R .Sho rt C ircuit P roof IGBT S Si m p lify O vercurrent P ro tecti on ,I A S -IEEE ,1991

5　王正仕.IGBT 高频斩波器.[学位论文].杭州:浙江大学硕士论文,1994

6　卢红,梁任秋,戴忠达.IGBT 驱动保护与应用技术.电力电子技术,1993,(2):1～5

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T he stuo lg of IGB T overcu rren t

p ro tecti on m ethod s

W ang Zhengsh i 　Cheng H u i m in W u Y iliang X iang Q un

(Pow er E lectronic T echnique Institute ,Zhejiang U niversity ,H angzhou ,310027)

Abstract

　T h is p aper in troduces the m ethods of overcu rren t p ro tecti on fo r IGB T devices :reducing gate driver vo ltage 、reducing gate driver vo ltage slow ling and tunn ing off the device slow ling as the IGB T goes in to overcu rren t .A new overcu rren t p ro tecti on m ethod is described and exp eri m en t is carried ou t to verify its reiab ility .Som e an ti -in terfere m ethodsin overcu rren t p ro tecti on are discu ssed .

Key words :IGB T ;overcu rren t ;p ro tecti on ;m ethod 9

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