IGBT 驱动器提供可靠保护

    3  IGBT驱动器的保护

    驱动器电子可以通过有源钳位直接控制过电压，也可以使用IntelliOff（智能关断），一种用于减小临界电压尖峰的功能。

    只要出现过电压，有源钳位让IGBT重新导通。栅极充电过程基本上是由集电极和栅极间的中央单元控制的，以降低过电压。

图2  有源钳位电路图

    这里，过电压值的最大值对应齐纳电压。晶体管再次工作在安全操作区内，但将储存在Lk中的能量转换为热量。在此过程中，IGBT内部在很短的时间内产生大量的额外损耗。这些损耗加速了组件的老化过程并限制了变换器系统的可靠性。

    防止发生过电压的一种方法是使用IntelliOff关断功能。结合对软关断几乎是即时开关响应的优点，IntelliOff提供了优化的关断能力。得益于不同速度的栅极放电，关断过程本身被IntelliOff优化。首先，驱动器启动IGBT关断过程越快越好。只要关断过程进入过压阶段，驱动器减慢关断过程，在这种情况下主动应对过电压。最后，IGBT驱动器安全可靠地关断模块。

图3   IntelliOff，积极主动的过压保护

    只要关断信号到来，驱动器产生负的栅极电荷。栅极集电极和发射极电容的放电过程开始，栅极电流达到其负峰值（period 0）。由于米勒效应，其描述了电容容抗在关断时的反馈过程，栅极发射极电压在特定的时间（period 1）内保持较高的电平。得益于小阻值的关断电阻，IntelliOff缩短了放电时间，并允许该过程加速。在period 2，大阻值电阻减慢关断过程，这样做避免了电路引起的电压尖峰（period 2）。如果没有IntelliOff，在有源箝位的情况下，这一阶段可能会出现过压，产生额外的损耗。如果不采取合适的保护措施，最终可能会导致模块的损坏。一旦危险的电压尖峰时间过去了，驱动器通过IntelliOff功能实现关断电阻的并联，确保IGBT被安全有效地关断。得益于大小关断电阻间的可调时间常数，简单的调整是可能的。

    特别是新一代IGBT，具有非常快和硬的开关特性。IntelliOff功能可确保无危险电压尖峰风险的快速关断，并由此帮助确保新IGBT模块的最佳性能。相比之下，替代的防护概念以限制IGBT模块性能换取保护，这样做会产生额外的损耗。

    4 结论

    栅极驱动器的理想保护取决于特定的应用。然而，一般来说，在系统标注尺寸阶段调查和分析错误机制是明智的。采用栅极驱动器去永久性地补偿非允许条件，不是一个有效的解决方案，再者也会降低可靠性。一个更加有效的过电压保护方法是使用IntelliOff功能，可在第一时间防止出现电压尖峰。VCE监测是一种可靠的短路检测方法，相比di/dt检测具有许多优势，因其可适应和适用于任何的标准模块。

    当今市场上有许多不同的驱动器保护解决方案，从标准的保护功能到高度复杂的驱动器解决方案。然而，采用简单的驱动器解决方案，用户必须自己集成保护功能，并为整个系统提供驱动器保护。这会是相当昂贵的并且驱动器保护往往被低估。相比之下，高度复杂的驱动器解决方案往往存在不利之处，系统的实现相当复杂且使用寿命常常是受限的。一个最佳的驱动解决方案必须满足系统的可靠性要求，但也应把大规模生产应用的价格作为重要因素来考虑。