電力電子系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)器對IGBT保護(hù)的分析

1 引言

為確保電力電子組件在非允許工作的條件影響下得到可靠的保護(hù)，需要快速和可靠的錯(cuò)誤檢測及有效的保護(hù)措施。在功率模塊中，即可通過系統(tǒng)控制器或者通過IGBT驅(qū)動(dòng)器提供錯(cuò)誤管理。系統(tǒng)控制器適用于對慢速故障模式做出反應(yīng)，如超溫所導(dǎo)致的過熱。相反，需要驅(qū)動(dòng)電子檢測和響應(yīng)突發(fā)錯(cuò)誤。如今市場上有各種驅(qū)動(dòng)器，它們的適用性、效率和可靠性各不相同。

2 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的故障

功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的快速錯(cuò)誤包括短路和電路引起的過電壓。短路是速度最快的錯(cuò)誤。

當(dāng)電力電子系統(tǒng)投入使用時(shí)，連接和隔離錯(cuò)誤往往是造成短路的因素，而在現(xiàn)場應(yīng)用中，短路可能歸因于故障組件。

如果短路發(fā)生在負(fù)載通道或者橋接旁路，IGBT的集電極電流完全增大，造成晶體管飽和。如今市場上的IGBT模塊只能防短路很短的時(shí)間。為了防止IGBT被熱負(fù)荷摧毀，在安全時(shí)間內(nèi)檢測到短路并且可靠地關(guān)斷IGBT是至關(guān)重要的。

驅(qū)動(dòng)器的電子電路可通過測量di/dt或者監(jiān)測VCE 檢測短路。

圖 1 （a） di/dt檢測電路圖 ；（b） VCE 監(jiān)測電路圖

di/dt檢測電路見圖1（a），驅(qū)動(dòng)器通過電子線路測量IGBT中電流的變化率。輔助和功率發(fā)射極間的雜散電感上的壓降正比于集電極電流的變化率（di/dt）。通過將電壓與參考電壓相比較，可以檢測出快速的短路。為了監(jiān)測緩慢短路，該方法在鍵合線及功率和輔助發(fā)射極間的內(nèi)部母線中使用阻性元件。然而，此方法還取決于用于電源連接的螺絲連接。這些顯示了一定的接觸電阻特性分布，并要考慮與其他電阻元件的串聯(lián)。這要求精確地適應(yīng)給定的系統(tǒng)。一般來說，di/dt檢測只能用于帶有輔助發(fā)射極輸出的IGBT模塊。

VCesat 監(jiān)測（圖1b）是通過集電極電流與通態(tài)電壓的關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)的。為此，集電極-發(fā)射極電壓被測量，并通過一個(gè)比較器與一個(gè)參考電壓相比較。如果電壓讀數(shù)超過參考電壓，驅(qū)動(dòng)器的電子電路會(huì)自動(dòng)關(guān)斷晶體管。由于晶體管電壓的迅速增加，Vce監(jiān)測是一個(gè)可靠的短路檢測方法。Vce監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)是可快速檢測到短路，適用于任何標(biāo)準(zhǔn)的IGBT。

如果短路時(shí)負(fù)載帶有較大的電流，如在電源側(cè)，集電極電流上升速度更加緩慢。在這種情況下，Vce閾值必須做相應(yīng)的調(diào)整。為了能夠在過流檢測中使用Vce方法，可使用多級Vce監(jiān)測。此時(shí)，定義幾個(gè)帶給定參考時(shí)間的跳變閾值。但是，這種方法的缺點(diǎn)是溫度不同會(huì)導(dǎo)致測量結(jié)果完全不一樣，以及要調(diào)整給定系統(tǒng)各級所涉及的因素也是非常復(fù)雜的。一般來說，更為有效和可靠的檢測慢速過電流方法是采用集成電流傳感器。

除了快速錯(cuò)誤檢測，對短路做出有效和可靠的響應(yīng)也是至關(guān)重要的。如果驅(qū)動(dòng)器用在多級應(yīng)用中或者用于驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)，主控制器應(yīng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的關(guān)閉。在這種情況下，驅(qū)動(dòng)器只發(fā)送隔離錯(cuò)誤信號到控制器并等待指令。例如，在多級應(yīng)用中，如果驅(qū)動(dòng)器直接關(guān)斷功率半導(dǎo)體器件，然后發(fā)送信號給控制器，那么在整個(gè)信號傳輸和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，整個(gè)直流環(huán)節(jié)電壓可能施加在一個(gè) IGBT上。這將導(dǎo)致模塊的損壞。然而，在大部分應(yīng)用中，讓驅(qū)動(dòng)器直接關(guān)斷功率模塊更加安全。驅(qū)動(dòng)器可以更迅速地作出響應(yīng)，因?yàn)樗鼰o需等待信號傳輸過程完成，可從二次側(cè)獨(dú)立關(guān)斷模塊。驅(qū)動(dòng)器可確保關(guān)斷短路電流時(shí)避免產(chǎn)生電壓尖峰，通過一個(gè)軟關(guān)斷或二級關(guān)斷功能的途徑實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷具有更大柵極電阻的IGBT會(huì)更慢，這樣可保護(hù)模塊，使其避免超出安全工作區(qū)（SOA）。

第二種快速錯(cuò)誤模式是由電路引起的過電壓導(dǎo)致的。必須檢測關(guān)斷過程中產(chǎn)生的過電壓并將其迅速減小以防止IGBT模塊被損壞。電源電路中的雜散電感導(dǎo)致開關(guān)浪涌，例如母線所導(dǎo)致的。外部引發(fā)的過電壓是緩慢的，可通過監(jiān)控直流環(huán)節(jié)電壓更有效地控制。

3 IGBT驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)

驅(qū)動(dòng)器電子可以通過有源鉗位直接控制過電壓，也可以使用IntelliOff（智能關(guān)斷），一種用于減小臨界電壓尖峰的功能。

只要出現(xiàn)過電壓，有源鉗位讓IGBT重新導(dǎo)通。柵極充電過程基本上是由集電極和柵極間的中央單元控制的，以降低過電壓。

圖2 有源鉗位電路圖

這里，過電壓值的最大值對應(yīng)齊納電壓。晶體管再次工作在安全操作區(qū)內(nèi)，但將儲(chǔ)存在Lk中的能量轉(zhuǎn)換為熱量。在此過程中，IGBT內(nèi)部在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的額外損耗。這些損耗加速了組件的老化過程并限制了變換器系統(tǒng)的可靠性。

防止發(fā)生過電壓的一種方法是使用IntelliOff關(guān)斷功能。結(jié)合對軟關(guān)斷幾乎是即時(shí)開關(guān)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，IntelliOff提供了優(yōu)化的關(guān)斷能力。得益于不同速度的柵極放電，關(guān)斷過程本身被IntelliOff優(yōu)化。首先，驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)IGBT關(guān)斷過程越快越好。只要關(guān)斷過程進(jìn)入過壓階段，驅(qū)動(dòng)器減慢關(guān)斷過程，在這種情況下主動(dòng)應(yīng)對過電壓。最后，IGBT驅(qū)動(dòng)器安全可靠地關(guān)斷模塊。

圖3 IntelliOff，積極主動(dòng)的過壓保護(hù)

只要關(guān)斷信號到來，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生負(fù)的柵極電荷。柵極集電極和發(fā)射極電容的放電過程開始，柵極電流達(dá)到其負(fù)峰值（period 0）。由于米勒效應(yīng)，其描述了電容容抗在關(guān)斷時(shí)的反饋過程，柵極發(fā)射極電壓在特定的時(shí)間（period 1）內(nèi)保持較高的電平。得益于小阻值的關(guān)斷電阻，IntelliOff縮短了放電時(shí)間，并允許該過程加速。在period 2，大阻值電阻減慢關(guān)斷過程，這樣做避免了電路引起的電壓尖峰（period 2）。如果沒有IntelliOff，在有源箝位的情況下，這一階段可能會(huì)出現(xiàn)過壓，產(chǎn)生額外的損耗。如果不采取合適的保護(hù)措施，最終可能會(huì)導(dǎo)致模塊的損壞。一旦危險(xiǎn)的電壓尖峰時(shí)間過去了，驅(qū)動(dòng)器通過IntelliOff功能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷電阻的并聯(lián)，確保IGBT被安全有效地關(guān)斷。得益于大小關(guān)斷電阻間的可調(diào)時(shí)間常數(shù)，簡單的調(diào)整是可能的。

特別是新一代IGBT，具有非?？旌陀驳拈_關(guān)特性。IntelliOff功能可確保無危險(xiǎn)電壓尖峰風(fēng)險(xiǎn)的快速關(guān)斷，并由此幫助確保新IGBT模塊的最佳性能。相比之下，替代的防護(hù)概念以限制IGBT模塊性能換取保護(hù)，這樣做會(huì)產(chǎn)生額外的損耗。

4 結(jié)論

柵極驅(qū)動(dòng)器的理想保護(hù)取決于特定的應(yīng)用。然而，一般來說，在系統(tǒng)標(biāo)注尺寸階段調(diào)查和分析錯(cuò)誤機(jī)制是明智的。采用柵極驅(qū)動(dòng)器去永久性地補(bǔ)償非允許條件，不是一個(gè)有效的解決方案，再者也會(huì)降低可靠性。一個(gè)更加有效的過電壓保護(hù)方法是使用IntelliOff功能，可在第一時(shí)間防止出現(xiàn)電壓尖峰。VCE監(jiān)測是一種可靠的短路檢測方法，相比di/dt檢測具有許多優(yōu)勢，因其可適應(yīng)和適用于任何的標(biāo)準(zhǔn)模塊。

當(dāng)今市場上有許多不同的驅(qū)動(dòng)器保護(hù)解決方案，從標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能到高度復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器解決方案。然而，采用簡單的驅(qū)動(dòng)器解決方案，用戶必須自己集成保護(hù)功能，并為整個(gè)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)器保護(hù)。這會(huì)是相當(dāng)昂貴的并且驅(qū)動(dòng)器保護(hù)往往被低估。相比之下，高度復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器解決方案往往存在不利之處，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜且使用壽命常常是受限的。一個(gè)最佳的驅(qū)動(dòng)解決方案必須滿足系統(tǒng)的可靠性要求，但也應(yīng)把大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的價(jià)格作為重要因素來考慮。