IGBT短路時(shí)的工作狀態(tài)、短路保護(hù)電路的原理

引言

每次談到IGBT都要把它的優(yōu)點(diǎn)先說(shuō)一遍，就當(dāng)我嘮叨了。IGBT結(jié)合了電力場(chǎng)效應(yīng)管和電力晶體管導(dǎo)通、關(guān)斷機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)，相比于其他大功率開(kāi)關(guān)器件，IGBT的驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、沒(méi)有二次擊穿效應(yīng)且易于并聯(lián)。大功率IGBT應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域和新能源發(fā)電系統(tǒng)，隨著變流器容量和電壓等級(jí)的提高，變流器的可靠性成為不可忽視的關(guān)鍵問(wèn)題，而作為其核心的IGBT的可靠性當(dāng)然是重中之中。短路保護(hù)便是IGBT可靠性考量中的一個(gè)因素。在IGBT短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)中，由于IGBT特性和內(nèi)部寄生電感的影響，IGBT關(guān)斷過(guò)程中，電流的變化率(di/dt)非常大，應(yīng)采取措施來(lái)限制短路電流的上升率，延緩IGBT的關(guān)斷時(shí)間。

今天我們以風(fēng)電變流器為例，來(lái)聊一聊IGBT短路時(shí)的工作狀態(tài)、短路保護(hù)電路的原理。

IGBT短路情況時(shí)工作狀態(tài)

當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)充分考慮其當(dāng)時(shí)的工作狀態(tài)。如果當(dāng)時(shí)情況下IGBT仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于直流回路中的電感小，此時(shí)的短路電流會(huì)非常大，這是電力電子應(yīng)用中不允許發(fā)生的，所以，要通過(guò)放大區(qū)來(lái)限制IGBT在短路狀態(tài)下的電流。

短路電路中的電感量決定了IGBT的短路電流和功耗。如果電感量小，那么關(guān)斷過(guò)程中的電流變化率di/dt就會(huì)非常大，IGBT迅速進(jìn)入退飽和階段，同時(shí)結(jié)溫上升；如果電感量大，那么關(guān)斷過(guò)程中，短路電流不斷上升，但是IGBT端電壓、功耗和結(jié)溫上升的卻不是很大。同時(shí)，較大的電感量會(huì)導(dǎo)致非常大的關(guān)斷電壓尖峰，這個(gè)電壓尖峰必須控制在IGBT的阻斷電壓之下，否則會(huì)導(dǎo)致IGBT失效。

IGBT在短路時(shí)，快速退飽和引起的電壓變化率dv/dt會(huì)促使IGBT的門(mén)極電壓增加，并導(dǎo)致較大的短路電流，從而導(dǎo)致功耗的增加，甚至損壞IGBT，同時(shí)，IGBT的短路情況下的集射極電壓uce將快速上升。

短路保護(hù)的原理

1SCSOA和短路維持時(shí)間

IGBT短路保護(hù)的目的是，在IGBT發(fā)生短路，在IGBT損壞前及時(shí)地將IGBT關(guān)斷，并將短路電流和保護(hù)關(guān)斷時(shí)的I-U運(yùn)行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區(qū)域(SCSOA)。短路時(shí)間的增加會(huì)使得SCSOA減小，同時(shí)SCSOA還與外電路布線(xiàn)電感和廠家的工藝結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于雜散電感的存在，短路大電流時(shí)，IGBT的I-U運(yùn)行軌跡很容易超出SCSOA的范圍，從而導(dǎo)致IGBT失效。

退飽和檢測(cè)技術(shù)普遍地用來(lái)監(jiān)測(cè)IGBT短路情況。采用退飽和保護(hù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，IGBT的短路維持時(shí)間為tw=10us。此期間，IGBT保護(hù)電路應(yīng)快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)到短路故障，并在允許時(shí)間內(nèi)關(guān)斷IGBT，來(lái)達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

2短路電流

IGBT短路時(shí)，uce緩慢上升至母線(xiàn)電壓，較大的跨導(dǎo)gfs增加了Isc(線(xiàn)性區(qū)時(shí)，有這樣一個(gè)公式：Ic=(Vge-Vth)*gsf)，并且有明顯的過(guò)沖，短路維持時(shí)間越長(zhǎng)，IGBT的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗就越大。此時(shí)，門(mén)極驅(qū)動(dòng)必須快速關(guān)斷具有較低短路維持時(shí)間的IGBT器件。唯一的辦法就是降低Vge，使其低于閾值電壓。在有源鉗位的作用下，uce快速達(dá)到鉗位電壓，抑制故障時(shí)的Isc。過(guò)大的Isc可能會(huì)引起IGBT器件發(fā)生鎖定效應(yīng)或過(guò)電壓擊穿，Isc超過(guò)IGBT內(nèi)部寄生晶閘管結(jié)構(gòu)的擎住電流時(shí)就會(huì)發(fā)生鎖定效應(yīng)，此時(shí)IGBT會(huì)失去門(mén)極的關(guān)斷能力。故限制Isc的幅值可以有效地防止鎖定效應(yīng)。同時(shí)較大的di/dt在電路雜散電感的作用下會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，可能會(huì)導(dǎo)致IGBT的擊穿，緩慢降低Vge可以避免此情況。

3短路保護(hù)電路分析

基本框架圖如下所示

在該電路中，通過(guò)檢測(cè)uce來(lái)監(jiān)視IGBT的短路和過(guò)電流。原理是，當(dāng)流過(guò)IGBT的電流過(guò)大時(shí)，通態(tài)壓降會(huì)急劇上升。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，通過(guò)uce監(jiān)視使能邏輯來(lái)進(jìn)行保護(hù)。IGBT導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)uce，如果期間內(nèi)uce超過(guò)了預(yù)先設(shè)定的值，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部軟件

來(lái)平滑地關(guān)斷IGBT。電路地電壓設(shè)定值和延遲時(shí)間可以通過(guò)外部的RC回路中的電阻和電容來(lái)設(shè)定。

發(fā)生短路時(shí)，IGBT集電極退飽和，圖中的a點(diǎn)電位升高。當(dāng)uce超過(guò)設(shè)定的門(mén)檻電壓時(shí)，故障檢測(cè)點(diǎn)視為低電平，輸出故障信號(hào)，并經(jīng)過(guò)觸發(fā)邏輯電路的判斷后，閉鎖觸發(fā)脈沖，使得輸出到門(mén)極驅(qū)動(dòng)放大電路中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也變?yōu)榈碗娖健Ｔ谲涥P(guān)斷電阻的作用下，IGBT的Vge緩慢下降，抑制電壓過(guò)沖。

正常情況下，電壓門(mén)檻值為高阻抗，在uce監(jiān)視使能邏輯下比較器的輸出為高電平。

短路保護(hù)電路中，還包含有源鉗位的功能，即當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，uce快速增大，并產(chǎn)生一個(gè)非常大的過(guò)壓，但在鉗位二極管的作用下，使其穩(wěn)定在鉗位二級(jí)管的電壓，抑制了uce的過(guò)沖，防止IGBT擊穿。有源鉗位一般由3個(gè)鉗位瞬態(tài)抑制二極管和一個(gè)穩(wěn)壓管組成(當(dāng)然，具體還需要根據(jù)使用的IGBT的規(guī)格來(lái)進(jìn)行調(diào)整)。

以上便是以風(fēng)電變流器中的某種IGBT保護(hù)電路來(lái)進(jìn)行了敘述，基本沒(méi)有涉及到風(fēng)電變流器的東西，所以也不必在意是不是風(fēng)電變流器。主要是希望能夠分享下，IGBT在發(fā)生短路故障時(shí)的一些事，以及采取保護(hù)電路是通過(guò)怎樣一個(gè)考慮來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的。