工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器中的IGBT過流和短路保護(hù)

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器的整個市場趨勢是對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間縮短。這突出了柵極驅(qū)動器電路及其過流檢測和保護(hù)功能的重要性。本文將通過三相電機(jī)控制應(yīng)用中隔離式柵極驅(qū)動器的實(shí)驗(yàn)示例，討論現(xiàn)代工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器中成功可靠的短路保護(hù)所涉及的問題。

工業(yè)環(huán)境中的短路

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器可以在相對惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，其中可能發(fā)生高溫、交流線路瞬變、機(jī)械過載、接線錯誤和其他突發(fā)事件。其中一些事件可能導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動電源電路中流動較大的過流水平。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逆變器支路中的兩個IGBT不正確導(dǎo)通引起的，這反過來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、過熱或過壓事件導(dǎo)致繞組之間的電機(jī)絕緣擊穿造成的。

相對地短路。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、過熱或過壓事件。

一般來說，電機(jī)能夠在相對較長的時間內(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)動逆變器級的大多數(shù)）具有微秒級的短路耐受時間。

IGBT 短路能力

IGBT的短路耐受時間與其跨導(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，從而縮短短路耐受時間。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)一步縮短耐受時間。對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)動器中直流母線電壓水平的并聯(lián)趨勢導(dǎo)致短路耐受時間的進(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)定的短路耐受時間的額外裕量。

IGBT過流保護(hù)

IGBT過流保護(hù)是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵部分，無論是在資產(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)動故障。5過流保護(hù)通常通過電流測量或去飽和檢測來實(shí)現(xiàn)。這些技術(shù)如圖 2 所示。對于電流測量，逆變器支路和相位輸出中都需要分流電阻等測量設(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)動器中的快速跳閘電路必須及時關(guān)斷IGBT，以防止超過短路耐受時間。這種方法的主要缺點(diǎn)是要求在每個逆變器支路中包括兩個測量設(shè)備，以及任何相關(guān)的信號調(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)動架構(gòu)中會出現(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)過流保護(hù)，這些電阻器也可以用于IGBT過流保護(hù)，前提是信號調(diào)理的響應(yīng)時間足夠快，可以在所需的短路耐受時間內(nèi)保護(hù)IGBT。

圖2.IGBT過流保護(hù)技術(shù)示例

去飽和檢測利用IGBT本身作為電流測量元件。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)通時間內(nèi)由檢測電路監(jiān)控，而在正常工作時，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集電極電流會增加到將IGBT從飽和區(qū)域驅(qū)動到線性工作區(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)射極電壓過低，并且IGBT沒有被完全驅(qū)動到飽和區(qū)域。在實(shí)施去飽和檢測時需要小心，以防止誤跳閘。當(dāng)IGBT未完全處于飽和狀態(tài)時，這尤其可能發(fā)生在從IGBT關(guān)閉狀態(tài)過渡到IGBT開啟狀態(tài)期間。通常在開啟信號的開始和激活去飽和檢測的點(diǎn)之間插入消隱時間，以避免錯誤檢測。通常還會添加電流源充電電容器或RC濾波器，以在檢測機(jī)制中引入短時間常數(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短路耐受時間內(nèi)起作用之間的權(quán)衡。

檢測到IGBT過電流后，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)動器設(shè)計為盡可能快地關(guān)斷IGBT，以最大限度地降低開關(guān)損耗。這是通過低驅(qū)動器阻抗和小柵極驅(qū)動電阻實(shí)現(xiàn)的。如果在過流條件下應(yīng)用相同的柵極關(guān)斷速率，則由于短時間內(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)的寄生電感會導(dǎo)致IGBT兩端瞬時達(dá)到較大的過壓水平（如VL流浪= L流浪× di/dt）。因此，在去飽和事件期間關(guān)閉IGBT時，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)生瞬時逆變器擊穿。在正常工作條件下，IGBT導(dǎo)通要求將IGBT驅(qū)動到飽和區(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，這可以通過將IGBT柵極-發(fā)射極電壓降低到0 V來實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)逆變器支路低端的晶體管導(dǎo)通時，必須考慮次要效應(yīng)。開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓在導(dǎo)通時的快速轉(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）。該電流流過低側(cè)柵極驅(qū)動器（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€IGBT都在短時間內(nèi)導(dǎo)通。這通常不會導(dǎo)致IGBT破壞，但會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)通問題：使用雙極性電源和/或增加米勒箝位。在柵極驅(qū)動器的隔離側(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)換完成后的一段時間內(nèi)降低柵極驅(qū)動器電路的關(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，從而減小了電壓瞬變的大小。通過使用非對稱柵極電阻進(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)動器功能對整體系統(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半波整流器供電的三相逆變器。在這種情況下，這會導(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混合信號處理器。相電流測量使用隔離式Σ-ΔAD7403調(diào)制器進(jìn)行，隔離式柵極驅(qū)動使用ADuM4135實(shí)現(xiàn)，ADuM4135是一款集成去飽和檢測功能的磁隔離柵極驅(qū)動器、米勒箝位和其他IGBT保護(hù)功能。短路測試是通過在電機(jī)相位之間或電機(jī)相位和直流母線負(fù)極之間手動切換短路來進(jìn)行的。在本例中未測試接地短路。?

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，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，具有功能齊全的IGBT柵極驅(qū)動器。

IGBT過流和短路保護(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（逆變器擊穿故障）

電機(jī)相電流檢測（電機(jī)繞組故障）

柵極驅(qū)動器去飽和檢測（所有故障）

對于直流母線電流檢測電路，必須添加一個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時間常數(shù)的RC濾波器。檢測到過流后，IGBT關(guān)斷的剩余延遲是運(yùn)算放大器、比較器、信號隔離器的延遲、ADSP-CM408F中的跳閘響應(yīng)時間和柵極驅(qū)動器傳播延遲。這相當(dāng)于額外的0.4 μs，導(dǎo)致總故障關(guān)斷時間延遲為3.4 μs，完全在許多IGBT的短路時間常數(shù)范圍內(nèi)。類似的時序也適用于將AD7403與ADSP-CM408F處理器上的集成過載檢測sinc濾波器結(jié)合使用的電機(jī)相電流檢測。它們在sinc濾波器時間常數(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到PWM單元的內(nèi)部路由和柵極驅(qū)動器傳播延遲造成的，因?yàn)檫^載sinc濾波器位于處理器內(nèi)部。除了電流檢測電路或數(shù)字快速濾波器的反應(yīng)時間外，ADuM4135在這兩種情況下的極短傳播延遲對于使用這些方法中的任何一種實(shí)現(xiàn)可行的快速過流保護(hù)都至關(guān)重要。在圖6中，顯示了其中一個逆變器支路中硬件跳變信號、PWM輸出信號和上部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.過流關(guān)斷時序延遲（通道1：柵極-發(fā)射極電壓10 V/格，通道2：來自控制器的PWM信號5 V/格，通道3：低電平有效跳閘信號5 V/格;100 ns/格）。

柵極驅(qū)動器去飽和檢測的作用明顯快于前面描述的過流檢測方法，并且對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量是使用帶寬受限的20 A電流探頭進(jìn)行的，僅供說明之用。去飽和電壓達(dá)到9 V跳閘電平，柵極驅(qū)動器開始關(guān)斷。很明顯，整個短路持續(xù)時間為 <400 ns。電流上的長尾是電流在下部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)致雜散去飽和檢測的一個例子。這可以通過增加去飽和濾波時間常數(shù)來增加額外的消隱時間來消除。

圖7.IGBT短路檢測。

圖8顯示了IGBT兩端的集電極-發(fā)射極電壓。初始受控過沖比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：來自控制器5 V/格的PWM信號，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的短路耐受時間降至1 μs水平，在極短的時間內(nèi)進(jìn)行過流和短路檢測以及關(guān)斷變得越來越重要。工業(yè)電機(jī)驅(qū)動的可靠性與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)動器IC的價值。

審核編輯：郭婷