CN112769425A - 一种抑制igbt电压应力的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了抑制IGBT电压应力的装置，包括：驱动单元，其用于驱动所述IGBT；有源钳位单元，其用于IGBT过电压保护，且包括至少一个TVS和一个二极管串联；检测单元，其检测有源钳位单元的动作信号；开关控制单元，其输入端连接驱动单元的输出端，输出端连接IGBT的门极，控制端与检测单元的输出端连接；在IGBT过电压时，检测单元检测到动作信号，输出开关控制单元关断的第一信号，在IGBT正常工作时，检测单元未检测到动作信号，输出开关控制单元导通的第二信号。本发明能够减慢IGBT关断速度，有效抑制IGBT集电极和发射极之间的电压应力，速度快且可靠性高；有效钳位IGBT集电极和发射极之间的电压。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种抑制IGBT电压应力的装置。
背景技术
绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)广泛应用于电力电子电路装置中，经常工作在高压大电流的工况下。在高压大功率应用中，IGBT往往承受较大电流，IGBT过流是造成IGBT器件损坏的重要原因。在实际应用中，由于负载过载、外部干扰、内部信号错误等原因，都会造成IGBT器件电流急剧增加，超过其容量限制，此时需要关断IGBT器件进行保护，以免IGBT过热损坏。
在IGBT过流关断的过程中，在IGBT关断换流回路杂散电感上产生的感应电动势叠加在母线电压上，使得IGBT的集电极和发射极之间产生较大的电压应力，通过对IGBT失效分析发现，约50%的失效原因是电特性中的IGBT电压应力过载击穿。
参见图1，采用有源钳位技术抑制IGBT关断过程中集电极和发射极之间的电压应力，具体采用TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬态抑制二极管)检测IGBT的集电极和发射极之间的电压，当电压超过TVS的击穿电压后，TVS被反向击穿，产生的击穿电流iTVS流向IGBT的门级，从而可以缓解IGBT门极电压的下降速度，减慢IGBT的关断速度，从而减小杂散电感上的感应电动势，进而减小IGBT在关断过程中的集电极与发射极之间的电压应力。
但是对图1分析后发现，当TVS反向击穿时通过TVS向IGBT的门极注入电流时，也会被驱动电路旁路掉一部分iRg，这样，注入电流的流失减弱了对门极电压下降速度的抑制效果，因此IGBT门极电压下降速度加快，如此，一方面导致IGBT集电极和发射极之间的电压应力增加，导致有源钳位效果减弱，另一方面集电极和发射极之间电压应力的增加还会导致TVS击穿程度的增加，击穿电流增加，进而导致TVS热损耗增加，TVS温升过大，同时TVS的钳位电压上偏。
因此，采用图1中现有技术来抑制IGBT关断过程中集电极与发射极之间的电压应力的可靠性差，影响有源钳位效果和TVS使用寿命。
发明内容
本发明的实施例提供一种抑制IGBT电压应力的装置，能够减慢IGBT关断速度，有效抑制IGBT集电极和发射极之间的电压应力，抑制速度快且可靠性高；有效钳位IGBT集电极和发射极之间的电压；此装置简单易于实现，IGBT保护及时，且成本低。
为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：
本申请涉及一种抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，包括：
驱动单元，其用于驱动所述IGBT；
有源钳位单元，其用于所述IGBT过电压保护，且包括至少一个TVS和一个二极管串联；
检测单元，其用于检测所述有源钳位单元的动作信号；
开关控制单元，其输入端连接所述驱动单元的输出端，输出端连接所述IGBT的门极，控制端与所述检测单元的输出端连接；
在所述IGBT过电压时，所述检测单元检测到所述动作信号，并输出用于控制所述开关控制单元关断的第一信号，在所述IGBT正常工作时，所述检测单元未检测到所述动作信号，并输出用于控制所述开关控制单元导通的第二信号。
在本申请中，所述有源钳位单元还包括与串联的至少一个TVS和一个二极管串联的限流电阻。
在本申请中，所述检测单元包括：
电压转换电路，其接收所述有源钳位单元的动作信号，并转换输出为对应电压信号；
稳压管，其阴极连接所述电压转换电路的输出端；
第一开关元件，其控制端连接所述稳压管的阳极，输入端连接上拉电阻，输出端接地，所述上拉电阻和所述第一开关元件的输入端之间的连接位置处连接所述开关控制单元的控制端。
在本申请中，所述第一开关元件为高电平导通的开关元件。
在本申请中，所述高电平导通的开关元件为NPN三极管。
在本申请中，所述检测单元包括：
电压转换电路，其接收所述有源钳位单元的动作信号，并转换输出为对应电压信号；
稳压管，其阴极连接所述电压转换电路的输出端；
第二开关元件，其控制端连接所述稳压管的阳极，输入端连接电源，输出端连接下拉电阻，所述下拉电阻和所述第二开关元件的输出端之间的连接位置处连接所述开关控制单元的控制端。
在本申请中，所述第二开关元件为低电平导通的开关元件。
在本申请中，所述低电平导通的开关元件为PNP三极管。
在本申请中，开关控制单元为高电平导通的开关元件。
在本申请中，所述高电平导通的开关元件为NMOS管。
本发明提供的抑制IGBT电压应力的装置，具有如下优点和有益效果：
（1）设计有源钳位单元，在IGBT过电压关断时，能够钳位IGBT的集电极和发射极之间的电压，避免IGBT过电压击穿而失效；
（2）设计检测单元及开关控制单元，在IGBT过流而使有源钳位单元动作时，能够检测到有源钳位单元的动作，并通过输出信号来控制开关控制单元关断，从而关断驱动单元至IGBT门极之间的通路，避免流入IGBT门极的部分电流被驱动单元旁通掉，实现大幅度降低IGBT门极电压的下降速度，减慢IGBT的关断速度，减小杂散电感上的感应电动势，进而减小IGBT在关断过程中的集电极与发射极之间的电压应力，避免IGBT过压击穿，实现有效钳位IGBT集电极和发射极之间电压的目的；
（3）此装置采用纯硬件电路搭建而成，不对驱动单元进行任何改动，易于实现，且保护及时、成本低。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统有源钳位技术应用在IGBT中的电路图；
图2是本发明提出的抑制IGBT电压应力的装置一种实施例的原理框图；
图3是本发明提出的抑制IGBT电压应力的装置实施例的电路图；
图4是本发明提出的抑制IGBT电压应力的装置另一种实施例的电路图；
图5是本发明提出的抑制IGBT电压应力的装置应用在规格为100A/1700V的IGBT中时IGBT集电极和发射极之间电压Vce和关断电流ic的波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
有源钳位技术
有源钳位主要用于对IGBT的过电压保护。
当IGBT在关断电流ic时，由于固有杂散电感L的存在，感应电压U=L*dic/dt叠加到母线电压E后所形成的电压应力，可能会超出IGBT集电极和发射极之间的阻断电压Vces，即L*dic/dt+E>Vces，此时IGBT存在被过压击穿的风险。
为了保护IGBT，参见图1，设置有源钳位电路，该有源钳位电路包括TVS（TransientVoltage Suppressor，瞬变电压抑制二极管）。
需要说明的是，在TVS设置在电路板上的实际位置距离IGBT较近时，杂散电感L产生的感应电压U对IGBT集电极和发射极之间的电压应力影响较大，而在TVS设置在电路板上的实际位置距离IGBT较远时，杂散电感L产生的感应电压U对IGBT集电极和发射极之间的电压应力影响较小。
此外，若在IGBT后端的负载发生短路导致IGBT发生退饱和行为时，IGBT电流上升率非常快，导致IGBT集电极和发射极之间的电压上升到母线电压E。
因此，IGBT的功率异常增大，退饱和电压和杂散电感的感应电压U会超过IGBT集电极和发射极之间的阻断电压Vces，此时，同样会存在IGBT被过压击穿的风险。
当IGBT在关断大电流或发生退饱和行为时，IGBT集电极和发射极之间的电压会超过TVS的击穿电压，击穿电流的一部分ig流向IGBT的门极，一部分iRg流向驱动单元10，由于在IGBT关断时刻，驱动单元10的开关管K2为导通状态，导致一部分电流iRg被开关管K2旁路。
即，电流iRg流失，减弱了对IGBT集电极和发射极之间的电压应力的抑制。
为此，提出了本申请的用于抑制IGBT电压应力的装置，其具有IGBT过电压保护功能及退饱和检测功能。
该装置具体参见图2至图5进行如下描述。
参见图2，本装置包括驱动单元10、有源钳位单元20、检测单元30、开关控制单元40和IGBT。
驱动单元10用于驱动IGBT正常工作。
有源钳位单元
参见图3和图4，有源钳位单元20用于对IGBT的过电压保护，该有源钳位单元20包括至少一个TVS和一个二极管D1串联，TVS的电压击穿值取决于IGBT的过压保护值。
至少一个TVS可以包括一个TVS，也可以包括多个串联的TVS，为了描述方便，这里统一用TVS表示。
需要说明的是，各TVS的击穿电压之和应小于IGBT的集电极和发射极之间的阻断电压Vces，且大于IGBT正常工作时的电压，并有一定的电压裕量。
TVS的阴极接IGBT的集电极，TVS的阳极接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接IGBT的门极。
二极管D1的作用在于防止IGBT门极正常工作时对后端电路的影响。
在本申请中，有源钳位单元20还串联有限流电阻R2，其一端连接二极管D1的阴极，另一端连接IGBT的门极。
限流电阻R2的作用在于防止流经TVS的电流过大，保护TVS不超出其最大功耗。
在电源钳位单元20动作时，即表示IGBT集电极和发射极之间的电压超过了TVS的击穿电压，TVS被击穿，击穿电流iTVS一部分通过二极管D1和限流电阻R2一部分ig注入IGBT门极且一部分iRg流向开关控制单元40，击穿电流iTVS的一部分流向检测单元30。
为了避免注入IGBT门极电流的流失，检测单元30在检测到电源钳位单元20动作时，输出控制开关控制单元40断开的信号。
如此，阻断了驱动单元10和IGBT门极之间的通路，使击穿电流iTVS完全流向IGBT门极。
这样，击穿电流iTVS通过二极管D1和电阻R2对IGBT的门极与发射极之间的电容Cge进行充电，降低了门极电压的下降速度，减缓门极的关断速度，即降低关断电流的斜率dic/dt，同时降低了感应电压U，从而抑制了IGBT的电压应力，有效将IGBT集电极和发射极之间电压钳位在TVS的击穿电压处。
在IGBT正常工作时，电源钳位单元20不动作，即，TVS没有被击穿，不存在击穿电流iTVS。
此时，检测单元30输出控制开关控制单元40导通的信号，如此，连通驱动单元10和IGBT门极之间的通路，驱动单元10驱动IGBT正常工作。
检测单元
检测单元30检测电源钳位单元20的动作信号。
在申请中，检测单元30是基于电流信号，其检测通过TVS注入电流检测单元30输入端的电流。
检测单元30包括电压转换单元、稳压管DZ和开关控制元件。
电压转换单元用于将所检测的电流转换为电压信号。
在本申请中，电压转换单元为电阻Rs，电阻Rs一端连接在稳压管DZ的阴极和二极管D1的阳极之间的连接位置处，另一端接地，通过TVS注入Rs电流时Rs上的电压记为Vi。
稳压管DZ的阳极与开关控制元件的控制端连接。
参见图3，在本申请中，开关控制元件为高电平导通的开关元件，其输入端连接上拉电阻R1，输出端接地。
检测单元30的输出端连接在上拉电阻R1和开关控制元件的输入端之间。
高电平导通的开关元件可以选择NPN三极管Q1，其基极连接稳压管DZ的阳极，集电极连接上拉电阻R1，发射极接地。
检测单元30的输出端连接在上拉电阻R1和NPN三极管Q1的集电极之间的连接位置处。
上拉电阻R1目的在于限制三极管Q1导通时的电流过大，起到限流的作用。
在电源钳位单元20动作时，即表示IGBT集电极和发射极之间的电压超过了TVS的击穿电压，TVS被击穿，击穿电流iTVS一部分通过二极管D1和限流电阻R2一部分ig注入IGBT门极且一部分iRg流向开关控制单元40，击穿电流iTVS的一部分流向检测单元30。
在Ube=Vi-VDZ（稳压管DZ上的稳压电压）＜Ubeo（即，NPN三极管Q1的门槛电压，一般约为0.6V）时，Q1关断，检测单元30输出的第一信号，即输出端处的电压Vo为高电平，使开关控制单元40导通，驱动单元10与IGBT门极之间的通路连通。
此时驱动单元10驱动IGBT正常工作。
在Ube=Vi-VDZ＞Ubeo时，Q1导通，检测单元30输出的第二信号，即输出端处的电压Vo为低电平，使开关控制单元40关断，驱动单元10与IGBT门极之间的通路断开。
此时，TVS的击穿电流全部流向IGBT门极，降低门极电压下降速度，降低IGBT关断速度，流经IGBT集电极和发射极的关断电流ic的斜率dic/dt也明显降低，从而抑制了IGBT集电极和发射极之间的电压应力，同时，将IGBT集电极和发射极之间的电压钳位在TVS的击穿电压处。
在实际中，稳压二极管DZ的稳压电压VDZ取决于其型号，且稳压二极管DZ的型号的选择需要结合TVS的击穿电流和IGBT集电极和发射极之间的钳位程度选择。
参见图4，在本申请中，开关控制元件为低电平导通的开关元件，其输入端连接电源VH，输出端连接下拉电阻R1'。
检测单元30的输出端连接在下拉电阻R1'和开关控制元件的输出端之间。
低电平导通的开关元件可以选择PNP三极管Q1'，其基极连接稳压管DZ的阳极，集电极连接下拉电阻R1'，发射极接电源VH。
检测单元30的输出端连接在下拉电阻R1'和PNP三极管Q1'的集电极之间的连接位置处。
下拉电阻R1'目的在于限制三极管Q1导通时的电流过大，起到限流的作用。
在Ueb=VH-（Vi-VDZ）＜Uebo（即，PNP三极管Q1'的门槛电压，一般为0.6V）时，即，Vi-VDZ＞VH-Uebo时，Q1'关断，检测单元30输出的第一信号，即输出端处的电压Vo'为低电平，使开关控制单元40关断，驱动单元10与IGBT门极之间的通路断开。
此时，TVS的击穿电流全部流向IGBT门极，降低门极电压下降速度，降低IGBT关断速度，流经IGBT集电极和发射极的关断电流ic的斜率dic/dt也明显降低，从而抑制了IGBT集电极和发射极之间的电压应力，不会加重TVS的击穿程度，同时，将IGBT集电极和发射极之间的电压钳位在TVS的击穿电压处。
在Ueb=VH-（Vi-VDZ）＞Uebo即，Vi-VDZ＜VH-Uebo时，Q1'导通，检测单元30输出的第二信号。
即，输出端处的电压Vo'为高电平，使开关控制单元40导通，驱动单元10与IGBT门极之间的通路连通。
此时驱动单元10驱动IGBT正常工作。
在实际中，稳压二极管DZ的稳压电压VDZ取决于其型号，且稳压二极管DZ的型号的选择需要结合TVS的击穿电流、VH的大小和IGBT集电极和发射极之间的钳位程度选择。
参见图5，其示出了抑制IGBT电压应力的装置应用在规格为100A/1700V的IGBT中的Vce及关断电流ic的波形。
采用本申请中的装置，IGBT的关断时间由原来的500ns延长至1000ns，且在关断时刻，IGBT的集电极和发射极之间的电压Vce钳位在TVS的击穿电压处。
参见图3和图4，在稳压管DZ的阳极和三极管Q1/Q1'的基极之间还连接有基极限流电阻R4。
由于三极管基极电流很小，因此根据Vi与VDZ的差值计算Ube（或根据VH、Vi及VDZ计算Ube）时会忽略基极限流电阻R4上的压降。
其中基极连接有基极下拉电阻。
基极下拉电阻可以为从基极直接下拉至地的电阻。
或者为图3/图4中所示的基极限流电阻R4和下拉电阻R3串联后下拉至地的电阻。
基极限流电阻R4用于限制流入三极管Q1/Q1'基极的电流，避免输出的高电平烧毁Q1/Q1'，保护三极管Q1/Q1'。
基极下拉电阻用于保证三极管Q1/Q1'的正常工作，防止三极管受噪声信号的影响而产生误动作，使三极管截止更可靠，且三极管的基极不能出现悬空，当输入信号不确定时(如输入信号为高阻态时)，加基极下拉电阻，就能使有效接地，且能够在三极管Q1/Q1'关断时通过基极下拉电阻放电。
同时下拉电阻R3也为稳压二极管DZ提供偏置电流，确保稳压的稳定性。
开关控制单元
开关控制单元40的控制端与检测单元30的输出端连接，输入端与驱动单元10的输出端连接，输出端与IGBT门极连接。
开关控制单元40用于在接收到检测单元30输出的信号后连通或断开驱动单元10和IGBT门极之间的通路。
在本申请中，开关控制单元40为高电平导通的开关元件。
开关控制单元40在接收到检测单元30输出的Vo为高电平时导通。
而在开关控制单元40接收到检测单元30输出的Vo为低电平时关断。
参见图3和图4，本申请中，高电平导通的开关元件为NMOS管Q2，其栅极连接检测单元30的输出端（即，栅极接收电压信号Vo），源极连接驱动单元10的输出端，漏极连接IGBT的门极。
在IGBT正常工作时，TVS不被击穿，使得检测单元30没有信号输入，即，Vi=0V。
检测单元30的输出端始终输出Vo为高电平，使NMOS管Q2始终保持导通，驱动单元10驱动IGBT正常工作，且二极管D1保证驱动电流仅仅流向IGBT门极。
在IGBT过电压关断时，如上所述，检测单元30检测到有源钳位单元20的动作信号。
即，检测到来自击穿后的TVS的击穿电流，并转换为电压Vi。
此后，检测单元30输出信号Vo为低电平，使开关控制单元40关断，阻断了驱动单元10和IGBT门极之间的通路。
通过TVS的击穿电流全部注入IGBT门极，降低门极电压下降速度，减缓IGBT关断速度，关断电流ic的斜率明显降低，降低了感应电压U，从而减小了IGBT发射极和集电极之间的电压应力，且同时钳位IGBT发射极和集电极之间的电压。
本申请装置采用硬件电路完成，易于搭建、实现且成本低，不对原来的驱动单元10在硬件或软件上做任何改动，只是增加了检测单元30和开关控制单元40，组成了外环反馈，对IGBT集电极和发射极之间的电压应力抑制更及时、快速，有效实现IGBT过电压保护。
也可以将检测单元30和开关控制单元40与驱动单元10集成在一起，形成一个新的驱动单元，能够便于后期使用及对IGBT的有效过电压保护。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，包括：
驱动单元，其用于驱动所述IGBT；
有源钳位单元，其用于所述IGBT过电压保护，且包括至少一个TVS和一个二极管串联；
检测单元，其用于检测所述有源钳位单元的动作信号；
开关控制单元，其输入端连接所述驱动单元的输出端，输出端连接所述IGBT的门极，控制端与所述检测单元的输出端连接；
在所述IGBT过电压时，所述检测单元检测到所述动作信号，并输出用于控制所述开关控制单元关断的第一信号，在所述IGBT正常工作时，所述检测单元未检测到所述动作信号，并输出用于控制所述开关控制单元导通的第二信号。
2.根据权利要求1所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，
所述有源钳位单元还包括与串联的至少一个TVS和一个二极管串联的限流电阻。
3.根据权利要求1所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，所述检测单元包括：
电压转换电路，其接收所述有源钳位单元的动作信号，并转换输出为对应电压信号；
稳压管，其阴极连接所述电压转换电路的输出端；
第一开关元件，其控制端连接所述稳压管的阳极，输入端连接上拉电阻，输出端接地，所述上拉电阻和所述第一开关元件的输入端之间的连接位置处连接所述开关控制单元的控制端。
4.根据权利要求3所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，所述第一开关元件为高电平导通的开关元件。
5.根据权利要求4所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，所述高电平导通的开关元件为NPN三极管。
6.根据权利要求1所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，所述检测单元包括：
电压转换电路，其接收所述有源钳位单元的动作信号，并转换输出为对应电压信号；
稳压管，其阴极连接所述电压转换电路的输出端；
第二开关元件，其控制端连接所述稳压管的阳极，输入端连接电源，输出端连接下拉电阻，所述下拉电阻和所述第二开关元件的输出端之间的连接位置处连接所述开关控制单元的控制端。
7.根据权利要求6所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，所述第二开关元件为低电平导通的开关元件。
8.根据权利要求7所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，所述低电平导通的开关元件为PNP三极管。
9.根据权利要求1所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，开关控制单元为高电平导通的开关元件。
10.根据权利要求9所述的抑制IGBT电压应力的装置，其特征在于，所述高电平导通的开关元件为NMOS管。
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| CN108387830A (zh) * | 2018-01-16 | 2018-08-10 | 中国矿业大学 | 一种基于有源钳位反馈型的igbt过流检测装置及方法 |
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