IGBT是高頻開關(guān)器件，芯片內(nèi)部的電流密度大。當(dāng)發(fā)生過流或短路故障時(shí)，器件中流過的大于額定值的電流時(shí)，極易使器件管芯結(jié)溫升高，導(dǎo)致器件燒壞。今天我們就來(lái)聊聊IGBT的過流和短路保護(hù)。

短路與過流之前我們介紹過IGBT的短路測(cè)試，今天我們來(lái)聊聊IGBT短路和過流時(shí)該如何保護(hù)。首先一點(diǎn)，對(duì)IGBT的過流或短路保護(hù)響應(yīng)時(shí)間必須快，必須在10us以內(nèi)完成。一般來(lái)說(shuō)，過電流是IGBT電力電子線路中經(jīng)常發(fā)生的故障和損壞IGBT的主要原因之一，過流保護(hù)應(yīng)當(dāng)首先考慮。

過流與短路保護(hù)是兩個(gè)概念，它們既有聯(lián)系也有區(qū)別。過流大多數(shù)是指某種原因引起的負(fù)載過載;短路是指橋臂直通，或主電壓經(jīng)過開關(guān)IGBT的無(wú)負(fù)載回路，它們的保護(hù)方法也有一定區(qū)別。如過流保護(hù)常用電流檢也傳感器，短路保護(hù)常通過檢測(cè)IGBT飽和壓降，配合驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的功率有不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)過流或短路保護(hù)。短路分為一類及二類兩種，但這兩種短路都有一個(gè)共同點(diǎn)，那就是，IGBT會(huì)出現(xiàn)“退飽和現(xiàn)象”，當(dāng)IGBT一旦退出飽和區(qū)，它的損耗會(huì)成百倍的往上升，那么允許持續(xù)這種狀態(tài)的時(shí)會(huì)非?？量塘耍挥?0us，我們需要靠驅(qū)動(dòng)器發(fā)現(xiàn)這一行為并關(guān)掉門極。IGBT過流的情況則是，回路電感較大，電流爬升很慢(相對(duì)于短路)，IGBT不會(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象，但是由于電流比正常工況要高很多，因此經(jīng)過若干個(gè)開關(guān)周期后，IGBT的損耗也會(huì)比較高，結(jié)溫也會(huì)迅速上升，從而導(dǎo)致失效。在這時(shí)，IGBT驅(qū)動(dòng)器一般是不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的，因?yàn)镮GBT的飽和壓降的變化很微弱，驅(qū)動(dòng)器通常識(shí)別不到這種變化。所以需要靠電流傳感器來(lái)感知電流的數(shù)值，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

所以，我們認(rèn)為，IGBT驅(qū)動(dòng)器是為了解決短路保護(hù)，而過流保護(hù)則是由電流傳感器來(lái)完成。

IGBT發(fā)生短路時(shí)，描述短路電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下，這是一個(gè)線性方程。它表示，在短路發(fā)生時(shí)，電流的絕對(duì)值與電壓，回路中的電感量，及整個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間有關(guān)系。

絕大部分的短路母線電壓都是在額定點(diǎn)的影響短路電流的因素主要是“短路回路中的電感量”。因此對(duì)短路行為進(jìn)行分類定義時(shí)，短路回路中的電感量是主要的分類依據(jù)。

如果短路回路中的電感量再繼續(xù)增大，那么電流變化率就變得更低，此時(shí)就不是短路了，變成“過流”了。這時(shí)驅(qū)動(dòng)器是察覺不到這種異常狀態(tài)的，因此在系統(tǒng)中需要電流傳感器來(lái)感知電流的絕對(duì)數(shù)值，從而進(jìn)行“過流保護(hù)”。我們認(rèn)為，通常IGBT驅(qū)動(dòng)器是不能進(jìn)行過流保護(hù)的。

二類短路與過流之間沒有明顯的界限，學(xué)術(shù)上沒有進(jìn)行定義，在工程上，可以做一個(gè)很粗略的假設(shè)：10A/us以下的電流變化率視為“過流”。

一類短路

發(fā)生一類短路時(shí)，IGBT的電流會(huì) Vge電壓波形快速上升，當(dāng)電流上升到一定數(shù)值時(shí)，(一般為4倍額定電流)，IGBT會(huì)發(fā)生退飽和現(xiàn)象其標(biāo)志是IGBT的電壓會(huì)迅速上升至直流母線電壓。

當(dāng)IGBT退出飽和區(qū)后IGBT的電短路電流波形，流為4倍額定電流(此倍數(shù)與芯片類型有關(guān))，電壓為母線電壓，(外電路的所有電動(dòng)勢(shì)都?jí)涸贗GBT上)，IGBT芯片的損耗非常大，根據(jù)規(guī)格書，其最多能耐受10us的短路狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)器需要在此時(shí)間內(nèi)把IGBT關(guān)掉，此時(shí)的關(guān)斷是完全安全的。

二類短路

發(fā)生二類短路時(shí) 由于回路的電感量稍大，電流爬升的速度慢了一些(比一類短路慢，但實(shí)際還是很快的)，門極脈沖打開時(shí)，IGBT的Vce下降至飽和壓降，隨著電流進(jìn)一步加大，飽和壓降輕微上升;當(dāng)電流到達(dá)“退飽和點(diǎn)”時(shí)，Vce迅速上升至直流母線電壓，我們把Vce上升的過程稱為“退飽和”行為。當(dāng)IGBT退出飽和區(qū)后，其損耗要比未退飽和前高數(shù)百倍，因?yàn)閂ce從幾伏上升至幾百伏，而電流則沒有明顯變化。從退飽和算起，10us內(nèi)必須關(guān)斷IGBT。

另外，還需要注意的是，當(dāng)IGBT電流上升的過程中，Vge也在上升，這是由于米勒效應(yīng)，IGBT在短路時(shí)，門極電壓有被向上抬升的趨勢(shì)。

短路和過流保護(hù)

IGBT發(fā)生短路時(shí)，電流上升至4倍額定電流以上，最終IGBT是要將這個(gè)電流關(guān)斷掉的，這時(shí)的電流的數(shù)值比平常變流器額定工作時(shí)的電流高了很多，所以此時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰也是非常高的。為了防止電壓尖峰損壞IGBT，還需要引入我們昨天聊過的電路——有源鉗位電路，但并不是所有的驅(qū)動(dòng)電路都需要配備有源鉗位功能，容量比較大的IGBT，就比較有必要配置此電路。

下面我們簡(jiǎn)單地介紹下常用的過流和保護(hù)措施：

小功率IGBT模塊

對(duì)于小功率IGBT模塊，通常采用直接串電阻的方法來(lái)檢測(cè)器件輸出電流，從而判斷過電流故障，通過電阻檢測(cè)時(shí)，無(wú)延遲;輸出電路簡(jiǎn)單;成本低;但檢測(cè)電路與主電路不隔離，檢測(cè)電阻上有功耗，因此，只適合小功率IGBT模塊。比如：5.5KW以下的變頻器。

中功率IGBT模塊

中功率IGBT模塊的電流檢測(cè)與過流、短路保護(hù)，一種方法是仍然采用電阻檢測(cè)法，為了降低電阻產(chǎn)生功耗及發(fā)熱生產(chǎn)的影響，可把帶散熱器件的取樣電阻固定在散熱器上，以測(cè)量更大的電流。

中、大功率IGBT模塊

對(duì)于大、中功率IGBT模塊的電流檢測(cè)與過流保護(hù)常采用電流傳感器。但需注意要選擇滿足響應(yīng)速度要求的電流傳感器。由于需要配置檢測(cè)電源，成本較高，但檢測(cè)電路與主電路隔離，適用于大功率的IGBT模塊。保護(hù)電路動(dòng)作的時(shí)間須在10us之內(nèi)完成。

通過檢測(cè)IGBT飽和壓降實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)

IGBT通常工作在逆變橋上，并處于開關(guān)工作狀態(tài)，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，易于發(fā)生短路現(xiàn)象。對(duì)于短路保護(hù)，常用的方法是通過檢測(cè)IGBT的飽和壓降Vce(sat)來(lái)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，它往往配合驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其基本原理如下圖所示：

當(dāng)過流或者短路發(fā)生時(shí)，設(shè)定一個(gè)參考電壓Vref，一旦通過快恢復(fù)二極管檢測(cè)的Vce(sat) ≥Vref時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，保護(hù)電路必須在10us之內(nèi)將IGBT關(guān)斷。采用先降低柵電壓的方法，實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，可以減少IGBT的關(guān)斷應(yīng)力，甚至延長(zhǎng)保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)間。

對(duì)于過流、過壓?jiǎn)栴}的保護(hù)，大家可以多在實(shí)際工作中結(jié)合具體產(chǎn)品去了解，不同的行業(yè)的不同產(chǎn)品采用的方案各有不同，考慮的側(cè)重點(diǎn)也會(huì)不一樣，大家多結(jié)合身邊的案例去思考。

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡。