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大家好，这期我们聊一下IGBT过压保护措施。通常情况下，我们可以通过优化母排杂散电感或增加吸收电路减小IGBT的关断电压尖峰。然而这两种方法都是减小电压尖峰的措施而不是保护方法，面向的也是IGBT正常工况。当IGBT发生过流或短路时，产生的关断电压尖峰会比正常情况高很多，这时一定要采取保护措施，不然器件很有可能会因为过电压而损坏。目前IGBT的关断电压尖峰保护措施主要有软关断和有源钳位两种方法。今天我们就来聊一下这两种方法的利与弊。
首先让我们看一下有源钳位技术：
有源钳位电路通过在IGBT的集电极和栅极之间串联一定数量的瞬态电压抑制二极管（TVS），当电压超过TVS的钳位电压时，会向门极注入一定的电流。如果这个时候IGBT正在关断，那注入的电流会使IGBT关断速度变缓，di/dt会减小，从而集电极电压也会减小，最基本的有源钳位电路如图1所示。
图1 基本有源钳位电路
关于IGBT有源钳位技术的介绍，前段时间已经分享过大牛魏炜写的一篇技术文档，网上也可以搜到，老耿在这里就不做深入介绍了。在这里有几个关键点需要强调一下：
①：有源钳位是一个闭环系统，只要超过了有源钳位TVS的动作点，电路就会工作。所以无论是正常工况，还是过流、短路情况，只要IGBT关断电压尖峰超过了TVS钳位电压值，有源钳位电路就会工作，这是有源钳位电路的一个优势。
②：对于图1所示的基本有源钳位电路，当有源钳位电路动作时，流过TVS的电流是很大的（大部分电流都会通过Rg经过推挽电路的下管流向了-15V），所以如果TVS频繁动作，TVS的损耗会好大，有可能IGBT没有问题，TVS就挂掉了。当然，Concept对基本有源钳位技术进行了改进，如图2所示，让大部分TVS的电流都流向门极。
图2 Concept高级有源钳位电路
但是对于我们自己设计的驱动电路，很难做到这一点，所以在应用时尽量还是不让TVS动作，或者每个输出电流周期只动作几次。
③：有源钳位的另外一个问题：降低了IGBT的静态阻断电压。例如1700V IGBT有源钳位动作点一般设在1350V左右；1200V的IGBT有源钳位动作点在900V左右。当IGBT处于关断状态时，如果母线电压上升到有源钳位动作点时，TVS就会被击穿，IGBT就会被打开，后面的事情就不敢想象了。针对该问题Concept也给出了解决方案，如图3所示。
图3. 动态有源钳位电路
这种方案目前也主要针对3.3kV以上的IGBT，对于1.7kV及以下IGBT，如果采用这种方案，成本就有点高了。
让我们再来看看软关断技术：
IGBT软关断是相对于硬关断来定义的，硬关断指的就是IGBT的常规的关断过程，由于电阻小，关断速度快，因此损耗也比较小，但是会承受一定的电压尖峰应力。而软关断就是采用一个相对较大的电阻缓慢地给栅射之间的电容Cge放电，从而降低IGBT的关断速度，避免产生过电压。由于软关断产生的关断损耗非常大，因此只有短路的时候才会触发软关断，而正常情况下还是会采用硬开关。图4为Avago公司的驱动光耦ACPL-339J推荐电路，推荐的软关断电阻为330Ω。
图4. ACPL-339J推荐电路[1]
有些小伙伴会问，软关断只有在IGBT短路的时才会触发。那IGBT发生过流时会怎样呢？那只有硬抗了，如果能扛过去，ok，没问题，扛不过去就挂掉了。当然，作为一名测试工程师，肯定不会这么无情，在IGBT上机之前，还是会做很多测试的！过流保护是必备的一个测试项目。需要强调的是：不单单要测试过流保护起不起作用，更重要的还要关注IGBT过流关断时的电压尖峰有没有超额定值。
图5展示了IGBT发生过流或短路时的关断策略。硬件过流检测实时性高，因此只要保证硬件过流时关断IGBT，尖峰不会超额定值，那就没问题。如果你的系统没有硬件过流保护，只有软件过流保护，那就好要好好评估器件的过压情况了。例如：软件的响应时间，滤波时间，从检测过流到封波时间，这个时候电流会升高到什么程度等等。
图5. IGBT过流、短路保护（无有源钳位）
有的小伙伴可能会问，这篇文章主要针对的是IGBT的关断电压尖峰，那母线过电压怎么办呢？直流母线由于电容的存在，是一个很大的惯性环节，波动不会太严重。如果由于能量回馈或其它原因（例如，三电平中点电位不平衡），导致的母线过电压，驱动是没有办法保护的（图3所示电路也只能在一定程度上提高TVS动作的阈值）。这种情况，控制板一般也会有硬件或软件过压保护。
最后，总结一下：
1. 如果IGBT驱动电路集成了有源钳位，那软关断意义就不大了，可以省去；
2. 如果IGBT驱动只有软关断电路，那控制板最好有硬件过流保护，并且保证IGBT发生过流时的关断电压尖峰不会超器件的额定值。
3. 有源钳位电路是可以频繁动作的，前提是一定要评估IGBT和TVS的损耗在允许范围之内，但实际为了可靠，还是尽量不让其动作，或者只在每个电流周期的峰值动作几次。
4. 任何一种技术都有利有弊，大家要学会根据自己的系统去平衡各种因素，这样才能设计出性价比更高的产品。
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参考文献：
[1] ACPL-339J datasheet.