看IGBT驱动器的保护功能,经常会看到Soft Turn-Off,也就是软关断。
第一反应可能是:都已经短路了,为什么不赶紧把栅极拉下去,还要慢慢关?
这里需要同时满足两件事:尽快结束短路,避免器件承受过多能量;也要限制关断瞬间的电流变化速度,避免产生过大的电压尖峰。
第一反应可能是:都已经短路了,为什么不赶紧把栅极拉下去,还要慢慢关?
这里需要同时满足两件事:尽快结束短路,避免器件承受过多能量;也要限制关断瞬间的电流变化速度,避免产生过大的电压尖峰。
功率回路中的母排、封装、PCB连接都有寄生电感。即使直流电阻很小,也不代表快速变化时没有压差。
在常见感性关断回路的简化分析中,寄生电感带来的附加电压量级为:
ΔV≈Lloop×|di/dt|。
正常工作时,关断的是某个额定负载电流;短路时,电流可能已经远高于正常值。如果仍然非常强地抽走栅极电荷,就可能产生更大的电流下降率和VCE过冲。
举一个假设例子:有效回路电感为100nH,关断电流下降300A。
如果下降时间为100ns,平均下降率对应的附加电压约为300V。
如果下降时间为500ns,对应约为60V。
实际峰值还与局部斜率、续流路径、寄生电容和振铃有关。这个例子只说明:同样的电流变化,发生得越快,寄生电感带来的电压就可能越大。
一种常见实现,是正常PWM关断使用较强的下拉通道;检测到短路或过流后,改用受控、较小的栅极下拉电流,使器件电流更平缓地下降。
也有驱动器使用分阶段关断,或者先把栅极降到某个中间电平,再进一步关断。不同方法的时序和参数并不相同,不能把所有“软关断”都当成外接一个大电阻。
同样不行。
短路期间,器件可能同时承受较高VCE和较大IC,瞬时功率为:
p(t)=VCE(t)×IC(t)。
器件承受的能量要沿时间积分:
ESC=∫VCE(t)IC(t)dt。
仅作量级示例,假设某段时间VCE约400V、IC约300A,那么瞬时功率就是120kW。若这个状态额外持续1μs,对应增加约0.12J能量。
实际波形并非常数,器件是否能承受,也不能只凭这个能量数字判断。但它说明了:短路时即使多拖延微秒级时间,也可能带来明显的额外应力。
软关断要让下降过程受控,同时必须在器件允许的故障承受范围内结束。
从短路发生到电流真正降下来,中间还有多个环节:
检测电路对故障作出响应,开通阶段还可能存在消隐窗口。
比较、滤波与内部逻辑确认故障。
驱动器开始执行软关断。
栅极电荷释放,主电流下降,IGBT可能还有尾电流。
器件承受应力的是整个过程,不能只拿比较器响应时间去对比短路耐受时间。
短路耐受能力也必须看具体器件及测试条件。不能给所有IGBT统一套一个“几微秒以内就安全”的标准,更不能在手册没有给出保证时自行假定。
如果所有正常关断都变慢,可能增加正常开关损耗,也可能增大某些关断保持路径的阻抗。
参考前一篇的关断电阻内容:【个人经验分享】IGBT栅极电阻为什么分成两个? - #5,来自 HardwareJourneyNotes
专门的故障关断路径,则允许正常开关与故障处理分别设计:正常工作按效率、过冲和EMI调整,故障时按短路应力控制。
采用大关断电阻能否达到目的,要看具体电路,不能等同于带受控软关断功能的驱动器。即使有该功能,也需要确认软关断电流、时序、供电范围,以及外部器件是否符合要求。
关断命令决定:什么时候让 IGBT 关断。
关断方式决定:驱动器用多大的电流、怎样的过程,把栅极电荷取出来。
同样是让 IGBT 最终关断,驱动器可以采用:
正常关断: 使用正常的下拉通道放电,速度由驱动器、栅极电阻和功率管等共同决定。
故障软关断: 保护触发后,采用受控下拉,让短路电流以受控速度下降,兼顾电压过冲与短路能量。
所以,“软”描述的是栅极放电过程,不能根据外部信号被拉低就判断。
一些驱动器只在 DESAT (下一篇介绍该短路保护功能)等内部保护确认故障后,才切换到受控下拉通道;正常 PWM 关断或外部拉低使能,仍可能执行正常关断。
因此,外部过流检测电路即使已经发出了关断信号,也需要核对它是否真正触发了驱动器的软关断功能。具体应以所选驱动器的引脚说明、保护逻辑和时序图为准。