工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的IGBT過(guò)流和短路保護(hù)

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的整個(gè)市場(chǎng)趨勢(shì)是對(duì)更高效率以及更高可靠性和魯棒性的需求不斷增加。功率半導(dǎo)體器件制造商不斷突破導(dǎo)通損耗和開關(guān)時(shí)間改進(jìn)的界限。增強(qiáng)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）傳導(dǎo)損耗的一些權(quán)衡是短路電流水平增加、芯片尺寸減小以及熱容量和短路耐受時(shí)間縮短。這突出了柵極驅(qū)動(dòng)器電路及其過(guò)流檢測(cè)和保護(hù)功能的重要性。本文將通過(guò)三相電機(jī)控制應(yīng)用中隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)示例，討論現(xiàn)代工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中成功可靠的短路保護(hù)所涉及的問(wèn)題。

工業(yè)環(huán)境中的短路

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以在相對(duì)惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，其中可能發(fā)生高溫、交流線路瞬變、機(jī)械過(guò)載、接線錯(cuò)誤和其他突發(fā)事件。其中一些事件可能導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電路中流動(dòng)較大的過(guò)流水平。圖1顯示了三種典型的短路事件。

圖1.工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的典型短路事件。

這些描述如下：

逆變器直通。這可能是由于其中一個(gè)逆變器支路中的兩個(gè)IGBT不正確導(dǎo)通引起的，這反過(guò)來(lái)又可能是由電磁干擾或控制器故障引起的。它也可能是由于腿部的一個(gè)IGBT的磨損/故障引起的，而健康的IGBT不斷切換。

相間短路。這可能是由于退化、過(guò)熱或過(guò)壓事件導(dǎo)致繞組之間的電機(jī)絕緣擊穿造成的。

相對(duì)地短路。這可能是由電機(jī)繞組和電機(jī)外殼之間的絕緣擊穿引起的;通常由于性能下降、過(guò)熱或過(guò)壓事件。

一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)能夠在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)吸收非常高的電流水平（毫秒到秒，具體取決于電機(jī)尺寸和類型）;然而，IGBT（占工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器級(jí)的大多數(shù)）具有微秒級(jí)的短路耐受時(shí)間。

IGBT 短路能力

IGBT的短路耐受時(shí)間與其跨導(dǎo)或增益以及IGBT芯片的熱容量有關(guān)。較高的增益會(huì)導(dǎo)致IGBT內(nèi)的短路電流水平較高，因此增益較低的IGBT顯然具有較低的短路電平。然而，較高的增益也會(huì)導(dǎo)致較低的導(dǎo)通狀態(tài)傳導(dǎo)損耗，因此必須做出權(quán)衡。1IGBT技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致短路電流水平增加的趨勢(shì)，從而縮短短路耐受時(shí)間。此外，技術(shù)的改進(jìn)允許使用更小的模具，2減小模塊尺寸，但降低熱容量，從而進(jìn)一步縮短耐受時(shí)間。對(duì)IGBT集電極-發(fā)射極電壓的依賴性也很強(qiáng)，因此工業(yè)驅(qū)動(dòng)器中直流母線電壓水平的并聯(lián)趨勢(shì)導(dǎo)致短路耐受時(shí)間的進(jìn)一步縮短。從歷史上看，這些一直在10 μs范圍內(nèi)，但近年來(lái)它們正趨向于5 μs。3在某些情況下可低至 1 μs。4此外，短路耐受時(shí)間因器件而異，因此通常建議在IGBT保護(hù)電路中增加超出規(guī)定的短路耐受時(shí)間的額外裕量。

IGBT過(guò)流保護(hù)

IGBT過(guò)流保護(hù)是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部分，無(wú)論是在資產(chǎn)破壞方面還是在安全性方面。IGBT不被視為故障安全元件，其故障可能導(dǎo)致直流母線電容器爆炸和完全驅(qū)動(dòng)故障。5過(guò)流保護(hù)通常通過(guò)電流測(cè)量或去飽和檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)如圖 2 所示。對(duì)于電流測(cè)量，逆變器支路和相位輸出中都需要分流電阻等測(cè)量設(shè)備，以覆蓋直通故障和電機(jī)繞組故障。然后，控制器和/或柵極驅(qū)動(dòng)器中的快速跳閘電路必須及時(shí)關(guān)斷IGBT，以防止超過(guò)短路耐受時(shí)間。這種方法的主要缺點(diǎn)是要求在每個(gè)逆變器支路中包括兩個(gè)測(cè)量設(shè)備，以及任何相關(guān)的信號(hào)調(diào)理和隔離電路。只需在正直流和負(fù)直流母線中添加分流電阻器即可緩解這種情況。然而，在許多情況下，驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)支路分流電阻器或分相電阻器，用于電流控制環(huán)路和電機(jī)過(guò)流保護(hù)，這些電阻器也可以用于IGBT過(guò)流保護(hù)，前提是信號(hào)調(diào)理的響應(yīng)時(shí)間足夠快，可以在所需的短路耐受時(shí)間內(nèi)保護(hù)IGBT。

圖2.IGBT過(guò)流保護(hù)技術(shù)示例

去飽和檢測(cè)利用IGBT本身作為電流測(cè)量元件。原理圖中顯示的二極管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓僅在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)由檢測(cè)電路監(jiān)控，而在正常工作時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓非常低（典型值為1 V至4 V）。但是，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流會(huì)增加到將IGBT從飽和區(qū)域驅(qū)動(dòng)到線性工作區(qū)域的水平。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓迅速增加。上述正常電壓電平可用于指示是否存在短路，去飽和跳閘的閾值電平通常在7 V至9 V區(qū)域。重要的是，去飽和還可以表明柵極-發(fā)射極電壓過(guò)低，并且IGBT沒(méi)有被完全驅(qū)動(dòng)到飽和區(qū)域。在實(shí)施去飽和檢測(cè)時(shí)需要小心，以防止誤跳閘。當(dāng)IGBT未完全處于飽和狀態(tài)時(shí)，這尤其可能發(fā)生在從IGBT關(guān)閉狀態(tài)過(guò)渡到IGBT開啟狀態(tài)期間。通常在開啟信號(hào)的開始和激活去飽和檢測(cè)的點(diǎn)之間插入消隱時(shí)間，以避免錯(cuò)誤檢測(cè)。通常還會(huì)添加電流源充電電容器或RC濾波器，以在檢測(cè)機(jī)制中引入短時(shí)間常數(shù)，以濾除噪聲拾取引起的雜散跳閘。這些濾波器元件的選擇是在提供抗噪性和在IGBT短路耐受時(shí)間內(nèi)起作用之間的權(quán)衡。

檢測(cè)到IGBT過(guò)電流后，在異常高的電流水平下關(guān)閉IGBT面臨著進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。在正常工作條件下，柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)為盡可能快地關(guān)斷IGBT，以最大限度地降低開關(guān)損耗。這是通過(guò)低驅(qū)動(dòng)器阻抗和小柵極驅(qū)動(dòng)電阻實(shí)現(xiàn)的。如果在過(guò)流條件下應(yīng)用相同的柵極關(guān)斷速率，則由于短時(shí)間內(nèi)電流變化較大，集電極-發(fā)射極中的di/dt將明顯變大。由于引線鍵合和PCB走線雜散電感，集電極-發(fā)射極電路內(nèi)的寄生電感會(huì)導(dǎo)致IGBT兩端瞬時(shí)達(dá)到較大的過(guò)壓水平（如VL流浪= L流浪× di/dt）。因此，在去飽和事件期間關(guān)閉IGBT時(shí)，提供更高阻抗的關(guān)斷路徑非常重要，以降低di/dt和任何潛在的破壞性過(guò)壓電平。

除了由于系統(tǒng)故障而發(fā)生短路外，在正常運(yùn)行中還可能發(fā)生瞬時(shí)逆變器擊穿。在正常工作條件下，IGBT導(dǎo)通要求將IGBT驅(qū)動(dòng)到飽和區(qū)域，使導(dǎo)通損耗最小化。這通常意味著導(dǎo)通狀態(tài)下的柵極-發(fā)射極電壓為>12 V。IGBT關(guān)斷要求將IGBT驅(qū)動(dòng)到工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導(dǎo)通后成功阻斷其兩端的反向高壓。原則上，這可以通過(guò)將IGBT柵極-發(fā)射極電壓降低到0 V來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)逆變器支路低端的晶體管導(dǎo)通時(shí)，必須考慮次要效應(yīng)。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓在導(dǎo)通時(shí)的快速轉(zhuǎn)換導(dǎo)致容性感應(yīng)電流在低側(cè)IGBT寄生米勒柵極集電極電容（C氣相色譜在圖 3 中）。該電流流過(guò)低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器（Z司機(jī)如圖3所示，在低側(cè)IGBT柵極-發(fā)射極端產(chǎn)生瞬態(tài)電壓升高。如果該電壓上升到IGBT閾值電壓以上，則V千，它可能導(dǎo)致低側(cè)IGBT短暫導(dǎo)通，導(dǎo)致逆變器支路瞬間直通，因?yàn)閮蓚€(gè)IGBT都在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。這通常不會(huì)導(dǎo)致IGBT破壞，但會(huì)增加功耗并降低可靠性。

圖3.米勒誘導(dǎo)逆變器直通。

通常有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通問(wèn)題：使用雙極性電源和/或增加米勒箝位。在柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離側(cè)接受雙極性電源的能力為感應(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，–7.5 V的負(fù)電源軌意味著通常需要>8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變來(lái)感應(yīng)雜散導(dǎo)通。這通常足以防止雜散導(dǎo)通。一種補(bǔ)充方法是在關(guān)斷轉(zhuǎn)換完成后的一段時(shí)間內(nèi)降低柵極驅(qū)動(dòng)器電路的關(guān)斷阻抗。這被稱為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在在較低阻抗的電路中流動(dòng)，從而減小了電壓瞬變的大小。通過(guò)使用非對(duì)稱柵極電阻進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷，可以在開關(guān)速率控制方面提供更大的靈活性。所有這些柵極驅(qū)動(dòng)器功能對(duì)整體系統(tǒng)可靠性和效率都有積極影響。

實(shí)驗(yàn)實(shí)例

實(shí)驗(yàn)裝置利用由交流電源通過(guò)半波整流器供電的三相逆變器。在這種情況下，這會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓為320 V，盡管系統(tǒng)也可以使用到800 V的直流母線電壓電平。 0.5 HP感應(yīng)電機(jī)在開環(huán)V/Hz控制下正常運(yùn)行。IGBT是國(guó)際整流器的1200 V，30 A IRG7PH46UDPBF。該控制器是ADI公司的ADSP-CM408F Cortex-M4F混合信號(hào)處理器。相電流測(cè)量使用隔離式Σ-ΔAD7403調(diào)制器進(jìn)行，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)使用ADuM4135實(shí)現(xiàn)，ADuM4135是一款集成去飽和檢測(cè)功能的磁隔離柵極驅(qū)動(dòng)器、米勒箝位和其他IGBT保護(hù)功能。短路測(cè)試是通過(guò)在電機(jī)相位之間或電機(jī)相位和直流母線負(fù)極之間手動(dòng)切換短路來(lái)進(jìn)行的。在本例中未測(cè)試接地短路。?

圖4.實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

控制器和電源板如圖5所示。這些是ADSP-CM408F EZ套件?6以及EV-MCS-ISOINVEP-Z隔離逆變器平臺(tái)，7兩者都可從ADI公司獲得。

圖5.ADI公司的隔離式逆變器平臺(tái)，具有功能齊全的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器。

IGBT過(guò)流和短路保護(hù)在實(shí)驗(yàn)硬件中使用一系列方法實(shí)現(xiàn)。這些是：

直流母線電流檢測(cè)（逆變器擊穿故障）

電機(jī)相電流檢測(cè)（電機(jī)繞組故障）

柵極驅(qū)動(dòng)器去飽和檢測(cè)（所有故障）

對(duì)于直流母線電流檢測(cè)電路，必須添加一個(gè)小濾波器以避免誤跳閘，因?yàn)橹绷髂妇€電流是不連續(xù)的，噪聲成分可能很高。使用具有3 μs時(shí)間常數(shù)的RC濾波器。檢測(cè)到過(guò)流后，IGBT關(guān)斷的剩余延遲是運(yùn)算放大器、比較器、信號(hào)隔離器的延遲、ADSP-CM408F中的跳閘響應(yīng)時(shí)間和柵極驅(qū)動(dòng)器傳播延遲。這相當(dāng)于額外的0.4 μs，導(dǎo)致總故障關(guān)斷時(shí)間延遲為3.4 μs，完全在許多IGBT的短路時(shí)間常數(shù)范圍內(nèi)。類似的時(shí)序也適用于將AD7403與ADSP-CM408F處理器上的集成過(guò)載檢測(cè)sinc濾波器結(jié)合使用的電機(jī)相電流檢測(cè)。它們?cè)趕inc濾波器時(shí)間常數(shù)約為3 μs的情況下運(yùn)行良好。8在這種情況下，剩余的系統(tǒng)延遲僅是由于跳閘信號(hào)到PWM單元的內(nèi)部路由和柵極驅(qū)動(dòng)器傳播延遲造成的，因?yàn)檫^(guò)載sinc濾波器位于處理器內(nèi)部。除了電流檢測(cè)電路或數(shù)字快速濾波器的反應(yīng)時(shí)間外，ADuM4135在這兩種情況下的極短傳播延遲對(duì)于使用這些方法中的任何一種實(shí)現(xiàn)可行的快速過(guò)流保護(hù)都至關(guān)重要。在圖6中，顯示了其中一個(gè)逆變器支路中硬件跳變信號(hào)、PWM輸出信號(hào)和上部IGBT的實(shí)際柵極-發(fā)射極波形之間的延遲。IGBT關(guān)斷開始的總延遲約為100 ns。

圖6.過(guò)流關(guān)斷時(shí)序延遲（通道1：柵極-發(fā)射極電壓10 V/格，通道2：來(lái)自控制器的PWM信號(hào)5 V/格，通道3：低電平有效跳閘信號(hào)5 V/格;100 ns/格）。

柵極驅(qū)動(dòng)器去飽和檢測(cè)的作用明顯快于前面描述的過(guò)流檢測(cè)方法，并且對(duì)于限制短路電流的允許上升程度非常重要，從而將整體系統(tǒng)可靠性提高到即使使用快速過(guò)流保護(hù)也能達(dá)到的水平。如圖 7 所示。隨著故障的發(fā)生，電流開始迅速增加——實(shí)際上，電流遠(yuǎn)高于所示值，因?yàn)闇y(cè)量是使用帶寬受限的20 A電流探頭進(jìn)行的，僅供說(shuō)明之用。去飽和電壓達(dá)到9 V跳閘電平，柵極驅(qū)動(dòng)器開始關(guān)斷。很明顯，整個(gè)短路持續(xù)時(shí)間為 <400 ns。電流上的長(zhǎng)尾是電流在下部IGBT的反并聯(lián)二極管中續(xù)流引起的感性能量衰減。導(dǎo)通期間去飽和電壓的初始增加是由于集電極-發(fā)射極電壓的瞬態(tài)而導(dǎo)致雜散去飽和檢測(cè)的一個(gè)例子。這可以通過(guò)增加去飽和濾波時(shí)間常數(shù)來(lái)增加額外的消隱時(shí)間來(lái)消除。

圖7.IGBT短路檢測(cè)。

圖8顯示了IGBT兩端的集電極-發(fā)射極電壓。初始受控過(guò)沖比320 V高約80 V直流由于去飽和保護(hù)期間關(guān)斷中的較高阻抗而導(dǎo)致的總線電壓。電流在下部反并聯(lián)二極管和電路寄生中的循環(huán)實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致電壓略高，最高可達(dá)約420 V。

圖8.IGBT 短路關(guān)斷。

米勒鉗位在正常工作中防止逆變器擊穿方面的值如圖9所示。

圖9.米勒夾緊開啟。通道1：柵極-發(fā)射極電壓5 V/格，通道2：來(lái)自控制器5 V/格的PWM信號(hào)，通道3：集電極-發(fā)射極電壓100 V/格;200 納秒/格

總結(jié)

隨著IGBT的短路耐受時(shí)間降至1 μs水平，在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行過(guò)流和短路檢測(cè)以及關(guān)斷變得越來(lái)越重要。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可靠性與IGBT保護(hù)電路密切相關(guān)。本文概述了處理此問(wèn)題的一些方法，并介紹了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，強(qiáng)調(diào)了ADI公司的ADuM4135等魯棒隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器IC的價(jià)值。

審核編輯：郭婷