1、引言
IGBT模块在电力电子设备中运用得越来越广泛，其对驱动器的性能要求也越来越高。IGBT可以承受短路的时间一般小于10us，短路时最大电流远远超过额定值，单位时间功耗也远远高于正常工作状态。短路时如果不能迅速采取保护措施关断IGBT，则IGBT可能会被热击穿。
由于连接IGBT模块的母线存在杂散电感，如果保护IGBT时关断速度过快，会产生较大的关断尖峰电压，该尖峰电压将会损坏IGBT模块。因此需要软关断技术在IGBT短路时将其缓慢关断，防止关断尖峰电压过高导致IGBT损坏。
目前的常用方法是在PCB板上搭建电路实现软关断，具体方式是检测到短路后，通过一个RC电路对IGBT门极放电。该方式有以下缺点：
1、不同应用条件下需对RC参数做调整，比较复杂；
2、RC放电在开始时刻门极电压下降最快、dV/dt最大，对应的关断尖峰电压也最大；随后门极电压下降速度变慢，会造成总的关断时间变长；为了减小关断尖峰电压，就必须选择较大的RC时间常数，而这就会导致更长的关断时间；
3、增加PCB面积和BOM成本。
青铜剑技术自主研发的驱动芯片将软关断技术集成于芯片内部。在IGBT发生短路后，让IGBT门极电压跟随内部基准VREF电压下降，使得软关断时间与开通电阻、关断电阻和IGBT型号几乎无关，同时在不同的应用场合都可以可靠保护软关断。
2、集成软关断技术
集成软关断技术的实现方法如下图所示：
在IGBT开通时刻，PWM控制电压由低电平变为高电平，将IGBT打开。此时图中所示开关SW1为闭合状态，内部基准VREF电压与IGBT门极分压值GH_DIV相等。
当IGBT发生短路时，IC内短路检测模块将会触发保护，控制PWM信号由高电平到低电平，将开通MOS迅速关闭。此时，关断MOS保持关闭，开通MOS和关断MOS同时处于关闭状态，IGBT门极电压保持不变。
随后断开SW1，内部基准VREF电压按内部设定波形下降。初始时刻，由于VREF电压下降，其与由分压网络得到的GH_DIV将产生压差。比较放大模块对压差进行放大，并通过控制模块和功率输出模块控制关断MOS开通，对IGBT门极进行放电，IGBT门极电压开始下降；IGBT门极波形的下降会反馈至分压网络，使得GH_DIV随之下降，最终跟随VREF电压下降，形成闭环反馈。
最终， IGBT门极电压始终保持和驱动芯片内部基准电压同样的趋势下降，达到软关断的目的。其中，有两个关键点需要注意：
关键点一：VREF波形
VREF波形采用分段下降方式，减小总体关断时间。具体分为四个阶段：初始状态step1；软关断阶段step2；软硬缓冲阶段step3；硬关断阶段step4。如下图所示：
step1初始状态：IGBT处于正常开通状态，开通电压为15V，整个反馈环路不工作。
step2软关断阶段：当发生短路时，反馈环路控制IGBT门极电压缓慢下降，实现软关断。
step3软硬缓冲阶段：门极电压下降到0V后，会保持一段时间不变，这段时间作为软关断和硬关断之间的缓冲阶段。
step4硬关断阶段：step3以后，环路就认为IGBT已完成软关断过程，将控制门极电压直接下降到-10V，减小关断时间。
关键点二：环路响应特性
在不同的应用环境中，母线电压、拓补结构、IGBT型号、开通电阻和关断电阻都不一样，对应的IGBT等效门极电容范围可达1nF~1uF，这些因素都会影响软关断特性。IGBT门极作为闭环反馈环路的输出节点，这样一个宽泛的门极电容范围将对闭环反馈环路稳定性设计提出了极大的挑战。
如果环路响应太快，那么在大的门极电容应用时，环路很容易发生自激振荡，如下图所示：
图 3.环路响应太快测试结果
如果环路响应太慢，那么在小的门极电容应用时，环路可能响应滞后导致失调，门极电压会出现下冲，严重时会完全失去软关断效果。如下图所示：
图 4.环路响应太慢测试结果
为了解决这个问题，本方案采用了独有的自适应环路响应调节技术，通过识别门极电压下降速度配置不同的环路响应参数，使得在不同的门极电容工况下都可以实现良好地跟随特性和软关断效果。
下图为IGBT门极等效电容Cgate分别为1nF（左）和1uF（右）下的仿真结果：
从仿真结果可以看出，针对不同的负载电容(1nF~1uF)，软关断时间基本保持不变，门极电压可以较好的跟随内部基准电压下降。
3、实测结果
测试条件：
环境温度：25℃，直流母线电压：800V，短路电流：3300A，Rgon = 1.3Ω，Rgof'f= 1.8
从测试结果可以看出，IGBT软关断时间约1.8us，关断峰值电压为976V，远在其标称值1200V以下。
4、总结
对于IGBT驱动来说，如何实现高效可靠且适应性强的短路软关断，是非常有价值的课题。青铜剑技术推出的集成软关断技术，不仅可以降低成本，还能适用于不同应用场合，软关断时间几乎不受IGBT型号、开通关断电阻和工作电压的影响，可以可靠的保护IGBT，保证电力电子设备的安全运行。
