【導(dǎo)讀】在過(guò)去的文章中，我們?cè)?jīng)討論過(guò)IGBT在關(guān)斷的時(shí)候，集電極會(huì)產(chǎn)生電壓過(guò)沖的問(wèn)題（回顧：IGBT集電極電壓超過(guò)額定電壓會(huì)發(fā)生什么？）。
IGBT關(guān)斷時(shí)，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(yīng)電壓ΔV。ΔV疊加在母線電壓上，使IGBT承受高于平常的電壓應(yīng)力。哪怕這電壓尖峰時(shí)間很短，也可能對(duì)IGBT造成永久性損壞。
di/dt與IGBT芯片特性有關(guān)，也與關(guān)斷時(shí)器件電流有關(guān)。當(dāng)器件在短路或者過(guò)流狀態(tài)下關(guān)斷時(shí)，集電極電壓過(guò)沖會(huì)格外大，有可能超過(guò)額定值，從而損壞IGBT。
所以如何抑制關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，是一個(gè)值得探討的話題。
從集電極過(guò)沖電壓計(jì)算公式：
V=Ls*di/dt
我們可以看出，降低電壓過(guò)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(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)層面的問(wèn)題，這個(gè)我們單開(kāi)題再說(shuō)。
但降低電流變化率di/dt會(huì)增加關(guān)斷損耗，如何解決這樣矛盾呢？
本文主要想從驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的角度，探討一些降低電流變化率，從而抑制電壓過(guò)沖的方法。
降低電流變化率，很多人想到的第一個(gè)辦法是增加門(mén)極電阻，但這一方法并不總是有用，尤其是對(duì)FS+trench stop的技術(shù)。略微增加門(mén)極電阻甚至可能增加di/dt，當(dāng)門(mén)極電阻增加到非常大的時(shí)候，才會(huì)降低di/dt。一味地增加門(mén)極關(guān)斷電阻，會(huì)顯著增加關(guān)斷損耗，因此這種方法并不可取。
IGBT4的關(guān)斷波形改變門(mén)極電阻，集電極過(guò)電壓并沒(méi)有明顯變化
那么除了增加門(mén)極電阻，還有什么辦法可以降低di/dt？從驅(qū)動(dòng)角度看，有三種辦法：
1 兩電平關(guān)斷
兩電平關(guān)斷的思路是在關(guān)斷過(guò)程中減慢關(guān)斷速度，減少di/dt，從而把關(guān)斷過(guò)電壓降低到一個(gè)合理的值。當(dāng)IGBT被 關(guān)斷時(shí)，柵極電壓不是直接降低到0V或者負(fù)電壓，而是在很短的時(shí)間內(nèi)，柵極電壓先降到UTLTO，這個(gè)電壓低于正常導(dǎo)通電壓，但是高于米勒平臺(tái)的電壓。然后再?gòu)腢TLTO降低到0V或者是負(fù)電壓。一般來(lái)說(shuō)，UTLTO可以選擇9~14V之間的電壓，UTLTO的電壓和持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。
兩電平關(guān)斷功能可集成在IGBT驅(qū)動(dòng)芯片中，比如1ED020I12-FT。兩電平關(guān)斷的電壓和持續(xù)時(shí)間通常用一個(gè)電容CTLTO或者電容與電阻的結(jié)合體來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電容充電達(dá)到一個(gè)特定的值，就會(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)UOUT，如果輸入信號(hào)Uin比設(shè)定的tTLTO短,輸入信號(hào)通常會(huì)被抑制,而輸出信號(hào)會(huì)保持不變。
下圖給出了有無(wú)TLTO功能的關(guān)斷短路電流對(duì)比。圖a沒(méi)有使用TLTO技術(shù)而關(guān)掉了短路,而圖b顯示應(yīng)用了TLTO關(guān)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(qiáng)烈振蕩明顯減輕，更重要的是產(chǎn)生的過(guò)電壓降低了。在這個(gè)例子中,圖a中出現(xiàn)了1125V的峰值電壓。在圖b所示的測(cè)量方法中,電壓只有733V(在每個(gè)例子中直流母線電壓為400V,且都使用了一個(gè)400A/1.2kV的IGBT)。
(a)沒(méi)有TLTO功能
(b)有TLTO功能
兩電平關(guān)斷功能可以集成在驅(qū)動(dòng)芯片中。傳統(tǒng)的集成兩電平關(guān)斷功能的IGBT驅(qū)動(dòng)器IC如下圖所示。TLSET引腳外接一個(gè)肖特基二極管和一個(gè)電容，肖特基二極管用來(lái)設(shè)定兩電平關(guān)斷的電壓；而電容用來(lái)設(shè)定兩電平關(guān)斷的時(shí)間。
1ED020I12_BT/FT
而英飛凌最新推出的X3 Enhanced 驅(qū)動(dòng)芯片， 1ED38X1MX12M，不需要外接電容電阻，只通過(guò)數(shù)字化的配置，即可設(shè)置兩電平關(guān)斷的電平及持續(xù)時(shí)間， 可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)及BOM。
1ED38X1MX12M
1ED38X1MX12M 兩電平關(guān)斷時(shí)序圖
1ED38X1MX12M兩電平判斷參數(shù)設(shè)置檔位
2 軟關(guān)斷
軟關(guān)斷能夠保證短路狀態(tài)下的安全關(guān)斷。如果驅(qū)動(dòng)檢測(cè)到短路，軟關(guān)斷功能不是用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)斷電阻將IGBT的柵極電壓拉低至0V或者負(fù)電壓，而是使用一個(gè)相對(duì)高的阻抗來(lái)釋放門(mén)極電流，該阻抗能夠延遲柵極電容的放電，使IGBT關(guān)斷速度變慢。一旦柵極電壓降低到某個(gè)值（例如2V），高阻抗就會(huì)被一個(gè)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(guān)斷的原理如下圖所示。
具有軟關(guān)斷功能的IGBT驅(qū)動(dòng)有英飛凌1ED34X1MX12M、1ED38X1MX12M，這兩款芯片分別通過(guò)模擬和數(shù)字的方式來(lái)配置軟關(guān)斷電流，均有多達(dá)16檔的軟關(guān)斷電流檔位可選擇。
1ED34X1MX12M
1ED38X1MX12M
1ED3431的軟關(guān)斷電流調(diào)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(shí)現(xiàn)方式：
有源鉗位的原理是：在關(guān)斷的過(guò)程中，IGBT CE間因?yàn)閐i/dt產(chǎn)生電壓尖峰。只要集電極處的電位超過(guò)了二極管VD1的雪崩電壓， 單向的TVS二極管VD1就會(huì)導(dǎo)通且通過(guò)電流。電流I1流過(guò)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(kāi)通，從而降低了關(guān)斷過(guò)程中的di/dt。因此，為了增加?xùn)艠O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(kāi)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(hào)為1.5KExxx
但此種電路也有缺點(diǎn)，如擊穿電壓與溫度密切相關(guān)，而且阻斷二極管結(jié)電容較大，IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)，位移電流會(huì)被du/dt額外加大。
另一個(gè)更簡(jiǎn)潔的方法是把信號(hào)反饋到驅(qū)動(dòng)推挽電路之前，如下圖:
電流I2通過(guò)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(lái)打開(kāi)VT5和關(guān)閉VT6。一旦VT5導(dǎo)通，I1不再通過(guò)柵極電阻RG，而是對(duì)輸入電容CGE充電。所有這些對(duì)電路有如下好處:
1. 因?yàn)橥ㄟ^(guò)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(lái)決定。
3. 電路反應(yīng)非常快。
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(guān)斷可集成在驅(qū)動(dòng)芯片中，傳統(tǒng)方案僅需在驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)兩電平關(guān)斷的參數(shù)調(diào)節(jié)。并且，1ED X3 analog/digital芯片還集成了軟關(guān)斷功能，無(wú)需外圍器件，即可實(shí)現(xiàn)16檔軟關(guān)斷電流的調(diào)節(jié)。
來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導(dǎo)體，作者：趙佳
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