如何防止IGBT在電路中短路？

　　短路故障是IGBT裝置中常見的故障之一，本文針對高壓大容量IGBT的短路故障，分析了IGBT的短路特性，基于已有的IGBT驅(qū)動器和有源電壓箝位技術(shù)，設(shè)計了一種閉環(huán)控制IGBT關(guān)斷過電壓的驅(qū)動電路。通過實驗證明，這種電路可以提高IGBT短路保護的可靠性。

　　IGBT被廣泛用于各類pwm變流器，如ups、變頻器、有源電力濾波器等。隨著IGBT制造工藝的發(fā)展，如今，IGBT的額定電流和電壓已分別提升到3600a和6500v，由大功率IGBT構(gòu)成的現(xiàn)代化兆瓦級變流器，廣泛出現(xiàn)在各類工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中，尤其是近年來，隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，中大功率IGBT得到了更為廣泛的應(yīng)用。隨著變流器容量的提升，變流器在整個系統(tǒng)的成本以及可靠性中所占的比重日益增大，因此，兆瓦級變流器的可靠性成為廣泛關(guān)注的問題。

　　短路時IGBT失效的原因

　　短路故障是電力電子裝置中常見的故障之一。電機繞組絕緣擊穿、電機電纜絕緣擊穿、誤操作、驅(qū)動指令錯誤、不足的死區(qū)時間，都會造成短路故障的發(fā)生。

　　通常，IGBT短路故障致使IGBT損壞的原因主要有以下三種。總的來說，這三種原因都可以歸結(jié)為器件中硅材料或焊接導(dǎo)線的熱效應(yīng)所引起。

　　（1）超出硅材料的熱極限

　　短路過程中，IGBT承受整個vdc電壓，同時ic為正常電流的若干倍。IGBT將承受遠大于正常運行狀態(tài)下的損耗，從而使得IGBT的結(jié)溫迅速升高。如果結(jié)溫超過了允許的最高結(jié)溫，IGBT將因熱積累作用失去阻斷能力。vce將迅速降低，隨后整個器件完全損壞。通常，IGBT生產(chǎn)廠家都會保證在特定情況下10μs的短路耐受時間。

　?。?）IGBT擎住效應(yīng)

　　在IGBT中存在一個寄生的npn三極管，正常運行情況下，這個npn三極管被擴散電阻旁路，不會開通。然而，在ic很大的情況下，例如短路發(fā)生時，這個npn三極管將開通，這樣IGBT門極將失去對IGBT的控制力。最終，IGBT將因為過大的電流使芯片和焊接導(dǎo)線上產(chǎn)生過大的損耗而損壞。

　?。?）vce過電壓

　　在保護電路控制IGBT主動關(guān)斷由于短路引起的大電流時，由于分布電感的存在會產(chǎn)生vce過電壓，vce超過了特定的限制。IGBT將因雪崩擊穿而損壞；與短路電流相等的ic將集中于一塊很窄的硅上從而產(chǎn)生一個高溫的熱點，因此，IGBT失去它的阻斷能力，并在幾十ns內(nèi)失去電壓。為了防止由于這類原因造成IGBT失效，除了主回路的分布電感應(yīng)盡可能地小，還需要一種帶有vce控制的門極驅(qū)動器。

　　短路故障的關(guān)斷過電壓

　　通常情況下，IGBT短路故障被分為兩類，開通短路（hsf）和通態(tài)短路（ful）。

　　開通短路是指負(fù)載短路發(fā)生在IGBT開通過程中，如圖1a）所示。IGBT在t1時刻開始開通，ic迅速升高！dic/dt由門極驅(qū)動電路的特性和 IGBT的跨導(dǎo)決定。vce先下降，很短時間后重新開始上升，穩(wěn)態(tài)時，vce略低于IGBT斷態(tài)電壓——直流側(cè)電壓vdc。

?

　　通態(tài)短路是指在IGBT已經(jīng)開通進入穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)之后，負(fù)載發(fā)生短路，如圖1b）所示。短路發(fā)生后，ic上升，dic/dt由短路阻抗和直流側(cè)電壓vdc決定。當(dāng)ic升高至由門極電壓vge和IGBT跨導(dǎo)所決定的穩(wěn)態(tài)最大電流后，IGBT將退出飽和區(qū)，vce開始升高。vce的升高將通過米勒電容cgc耦合一個電流對IGBT門極進行充電，從而使得vge升高。vge的升高將使得ic繼續(xù)增大，從而使得ic表現(xiàn)出很大的過沖，這將導(dǎo)致IGBT擎住現(xiàn)象發(fā)生甚至毀壞。

　　仔細觀察圖1中vce曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在短路過程中，vce出現(xiàn)兩次過沖。第一次過沖是因為IGBT自身的限流作用，第二次是因為人為的IGBT關(guān)斷指令。通常，第二次電壓過沖是很高的，如果沒有進行妥善的處理，可能造成IGBT因為vce過電壓而損壞。本文主要針對解決此問題，從門極驅(qū)動器的角度，展示了一種解決方法，保護IGBT免于由于此類故障損壞。

　　IGBT關(guān)斷過電壓是存儲在主回路分布電感中的能量重新分配的結(jié)果，無論何時，只要流經(jīng)IGBT、母排、直流側(cè)電容的電流發(fā)生換向，關(guān)斷過電壓都將出現(xiàn)。在如圖2所示的等效電路圖中，可得vce如下：

　　其中，lq包括了母排中的電感，直流側(cè)電容中的等效串聯(lián)電感以及IGBT封裝中的電感。vdfy表示反并聯(lián)二極管的正向恢復(fù)電壓，通常為10到50v。

　　為了保證vce在IGBT的額定范圍以內(nèi)換流電流變化率必須滿足下式。

　　短路時關(guān)斷過電壓的抑制方法

　　傳統(tǒng)保護方法

　　傳統(tǒng)IGBT驅(qū)動器 的控制框圖如圖3所示。正常運行時，IGBT經(jīng)rg_on開通，經(jīng)rg_off關(guān)斷。當(dāng)短路或過流故障發(fā)生時，為了限制關(guān)斷過電壓，IGBT經(jīng)阻值較大的電阻rg_fault關(guān)斷。這將使vge緩慢下降，從而消除顯著的關(guān)斷過電壓。然而，這是一種開環(huán)的控制方法，無法完全保證IGBT在任何情況下都能夠安 全的關(guān)斷。同時，任何短路檢測方法都需要一定的檢測時間，如果IGBT關(guān)斷信號在短路故障檢測出之前使能，IGBT將經(jīng)rg_off關(guān)斷，這樣一來，IGBT損壞將不可避免。

　　對于傳統(tǒng)驅(qū)動器中存在的問題，本文中使用一種被稱為“有源電壓箝位技術(shù)”的方法，設(shè)計了一種閉環(huán)的保護驅(qū)動電路，如圖4所示。

　　圖4中z為瞬態(tài)抑制二極管，瞬態(tài)抑制二極管為一種瞬態(tài)沖擊電壓保護器件，反應(yīng)時間可以達到ns級。相比壓敏電阻，其反應(yīng)速度快，然而瞬態(tài)容量和穩(wěn)態(tài)容量都遠小于壓敏電阻。

　　在檢測到短路故障之后，IGBT經(jīng)rg_fault關(guān)斷，當(dāng)vce升高至瞬態(tài)抑制二極管的擊穿電壓時，電流通過瞬態(tài)抑制二極管向IGBT門極充電，提升IGBT的門極電壓vge，隨著vce的繼續(xù)升高，流過瞬態(tài)抑制二極管的電流將增大，從而動態(tài)的改變dic/dt，實現(xiàn)了關(guān)于vce的閉環(huán)保護。

　　實驗結(jié)果

　　實驗的等效電路圖如圖2所示。驗證性實驗使用一只Infineon公司的半橋IGBT模塊ff450r17me3作為功率開關(guān)，9只低感薄膜電容——每只225μf/1200v——組成直流側(cè)電容，功率開關(guān)與直流側(cè)電容通過基于印刷電路板的疊形母排連接，以保證較低的主回路分布電感。ff450r17me3為采用Infineon公司第三代IGBT芯片技術(shù)，具有更低的導(dǎo)通壓降，更快的開關(guān)速度，同時，采用了新的econodual封 裝模式，保證了IGBT封裝內(nèi)部更低的分布電感。

　　驅(qū)動板采用infineon的1700v IGBT驅(qū)動器2ed300c17作為核心器件，提供良好的隔離和兩路隔離的正負(fù)30a的峰值驅(qū)動電流能力，以及過流保護、欠壓保護等。通過實時檢測導(dǎo)通時的vce電壓，能夠快速判定短路故障，及時控制門極電平，實現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。其故障狀態(tài)下的軟關(guān)斷功能和有源電壓箝位功能共同作用，有效地抑制了在故障狀態(tài)下關(guān)斷IGBT時產(chǎn)生的高di/dt，降低了IGBT兩端的關(guān)斷過電壓，保證在最嚴(yán)重的的短路下實現(xiàn)安全有效的保護。

　　在vdc=1200v下進行了短路試驗，試驗波形如圖6所示?？梢?，在關(guān)斷開通短路電流和通態(tài)短路電流時，vcemax被可靠地箝位在1350v，小于vces（1700v），使IGBT工作于安全工作區(qū)間內(nèi)，有效地保護了IGBT，所采用的有源電壓箝位技術(shù)達到了預(yù)期的效果。

　　igbt模塊化的設(shè)計與分析：

　　1. 引言

　　近年來，IGBT功率器件在電機控制、開關(guān)電源和變流設(shè)備等領(lǐng)城的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。IGBT的驅(qū)動包括專門的驅(qū)動電路，以及過流保護電路等，本文設(shè)計參考了三菱、西門康等公司生產(chǎn)的IGBT驅(qū)動模塊，加入了接口選擇模塊、功能選擇模塊、電源模塊、功率補充模塊等，實現(xiàn)了整個驅(qū)動電路的模塊化設(shè)計。單個模塊可以驅(qū)動一個橋臂的上下兩個IGBT?？梢酝ㄟ^方波控制或者SPWM控制等控制方式，驅(qū)動單相或者三相逆変器。

　　2. IGBT驅(qū)動模塊設(shè)計

　　圖1所示為本文設(shè)計的IGBT驅(qū)動模塊的構(gòu)成圖，主要由五部分電路模塊組成。接口選擇模塊可實現(xiàn)光纖和電信號的切換功能選擇模塊可實現(xiàn)兩種驅(qū)動模式一獨立驅(qū)動和互補驅(qū)動的切換；電源模塊的作用是給整個模塊提供所需的電壓驅(qū)動與保護模塊的作用是放大驅(qū)動信號和檢測過流保護功率補充模塊可用于驅(qū)動不同等級的IGBT功率器件。

　　2.1 接口選擇模塊

　　接口選擇模塊的設(shè)計是為了使驅(qū)動和控制信號可以通過電信號或者光纖傳輸，并且增強信號傳輸過程的抗擾性。圖2是采用光纖接口的電路設(shè)計。DSP發(fā)出的驅(qū)動信號Signal_in為高時，驅(qū)動板接收的IN_X信號為低，反之，驅(qū)動板接收的信號為高。設(shè)置DSP主控板發(fā)射的信號為低電平有效，可以防止干擾，例如若發(fā)射端5V信號丟失，接受端就無法接受有效信號，從而避免了誤操作，比采用高有效具有更好的可靠性。本文采用的光纖型號為Agilent Technologies公司的HFBR-1521。

　　2.2 功能選擇模塊

　　圖3為該部分電路示意圖，通過MOD開關(guān)在5V和GND的切換，實現(xiàn)MOD信號的高低電平切換，再經(jīng)過邏輯電路的處理，實現(xiàn)獨立驅(qū)動和互補驅(qū)動兩種驅(qū)動模式的切換。

　　如表1所述，獨立驅(qū)動方式下，MOD開關(guān)接GND，IN_A、IN_B兩輸入信號各自獨立，經(jīng)過設(shè)定的邏輯處理輸出。若在此驅(qū)動方式下驅(qū)動一個橋臂的上下管，需要輸入的控制信號互補并保證一定的死區(qū)時間，對控制的要求比較高，所以此驅(qū)動方式一般用于驅(qū)動單管。

　　互補驅(qū)動方式下，MOD開關(guān)接5V，IN_A為驅(qū)動脈沖信號，IN_B作為使能信號，使能有效時，兩路輸出高低電平互補的帶死區(qū)的驅(qū)動信號，可以保證上下管的輪流導(dǎo)通，死區(qū)產(chǎn)生電路如圖4所示，通過設(shè)定R、C的值，經(jīng)過施密特觸發(fā)器實現(xiàn)延遲觸發(fā)，從而實現(xiàn)死區(qū)的設(shè)定。

　　2.3 電源模塊?

　　圖5所示的電源模塊部分電路拓?fù)洳捎靡粋€反激變換器，將直流24V供電電壓變換成+15V和-10V的直流電壓，給驅(qū)動與保護模塊供電。該電源模塊隔離電壓為3000VDC。

　　2.4 驅(qū)動與保護模塊與功率補充模塊

　　該部分電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。功能選擇模塊輸出的控制信號經(jīng)光耦隔離，驅(qū)動呈推挽結(jié)構(gòu)的三極管輸出+15V或-10V的電壓，通過驅(qū)動電阻Rg對IGBT的柵極進行驅(qū)動。采用負(fù)電壓關(guān)斷IGBT器件，能夠保證IGBT快速有效的關(guān)斷，可靠性高。

　　利用DSAT檢測方法對IGBT集電極電壓VCE的檢測，判斷是否發(fā)生了過流保護，進而產(chǎn)生保護信號，封鎖脈沖。IGBT導(dǎo)通時，過流檢測電路的輸入電壓信號V與dtect其內(nèi)部的參考電壓信號Vth進行比較，如果Vdtect》Vth，則認(rèn)為產(chǎn)生了過流保護。Vdtect計算公式見式（1）。其中VCE是IGBT的導(dǎo)通飽和壓降，VRm是電阻Rm上的電壓，Rm越大VRm，VDm是二極管Dm的導(dǎo)通飽和壓降。調(diào)節(jié)電阻Rm可改變VRm的值，從而改變保護電流閾值的大小。

　　功率補充模塊采用三極管推挽結(jié)構(gòu)，作用是加強驅(qū)動電路的驅(qū)動能力，增大驅(qū)動輸出電流，以驅(qū)動大功率的IGBT器件。

　　3. 試驗及結(jié)果

　　圖7為互補驅(qū)動方式下，使能信號有效時功能選擇模塊輸出的兩路驅(qū)動信號的波形，如2、3通道所示。可以看出兩路信號呈互補狀態(tài)，分別驅(qū)動一個橋臂的上下兩管輪流導(dǎo)通。1通道為A路柵極驅(qū)動信號。

　　圖8為功能選擇模塊輸出信號經(jīng)驅(qū)動與保護模塊與功率補充模塊輸出到一個橋臂上下兩IGBT柵極的驅(qū)動脈沖的電壓波形。導(dǎo)通信號為+15V，關(guān)斷信號為-10V。兩列觸發(fā)脈沖互補，驅(qū)動上下管輪流導(dǎo)通。

　　圖9為一個橋臂上下兩個IGBT的柵極驅(qū)動脈沖信號間的死區(qū)時間的波形，圖4中的R取1kΩ，C取2.2μf時，死區(qū)時間如圖9所示約為2μs。調(diào)整R、C的值，可以調(diào)整電容C的充放電時間，從而調(diào)整死區(qū)時間的大小。

　　圖10為應(yīng)用三塊該驅(qū)動模塊驅(qū)動三相逆變器的輸出波形，1通道為線電壓波形，為380V；2通道為相電流波形，為80A。該逆變器采用方波控制和星型電感負(fù)載，總輸出功率超過50kVA。

　　4. 結(jié)束語

　　本文從模塊化的角度設(shè)計了IGBT驅(qū)動電路，該電路將各項功能都進行了模塊化設(shè)計，包括接口選擇模塊、功能選擇模塊、電源模塊、驅(qū)動與保護模塊以及功率補充模塊。經(jīng)試驗證明，該驅(qū)動模塊具有良好的驅(qū)動能力和保護能力。