IGBT驅(qū)動(dòng)電路過流保護(hù)的分類及其檢測(cè)方法

1．IGBT驅(qū)動(dòng)電路過流保護(hù)的分類

IGBT的過流保護(hù)電路可分為兩類：一類是低倍數(shù)(1.2-1.5倍)的過載保護(hù)；另一類是高倍數(shù)（可達(dá)8-10倍）的短路保護(hù)。

(1)過載保護(hù)

原則上，IGBT在過流時(shí)的開關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運(yùn)行時(shí)的特性相比并沒有什么不同。由于較大的負(fù)載電流會(huì)引起IGBT內(nèi)較高的損耗，所以，為了避免超過最大的允許結(jié)溫，IGBT的過載范圍應(yīng)該受到限制。不僅僅是過載時(shí)結(jié)溫的絕對(duì)值，而且連過載時(shí)的溫度變化范圍都是限制性因素。對(duì)于過載保護(hù)不必快速響應(yīng)，可采用集中式保護(hù)，即檢測(cè)輸入端或直流環(huán)節(jié)的總電流，當(dāng)此電流超過設(shè)定值后比較器翻轉(zhuǎn)，封鎖所有IGBT驅(qū)動(dòng)器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護(hù)一旦動(dòng)作后，要通過復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。

(2)短路保護(hù)

IGBT能承受短路電流的時(shí)間很短，能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時(shí)間小于5us，而飽和壓降為3V的IGBT允許承受的短路時(shí)間可達(dá)15us，4-5V時(shí)可達(dá)30us以上。存在以上關(guān)系是由于隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方增大，造成承受短路的時(shí)間迅速縮短。

原則上，IGBT都是安全短路器件。也就是說，它們?cè)谝欢ǖ耐獠織l件下可以承受短路電流，然后被關(guān)斷，而器件不會(huì)產(chǎn)生損壞。在考察短路時(shí)，要區(qū)分以下兩種情況。

1）短路Ⅰ。短路Ⅰ是指IGBT開通于一個(gè)已經(jīng)短路的負(fù)載回路中，也就是說在正常情況下的直流母線電壓全部降落在IGBT上。短路電流的上升速度由驅(qū)動(dòng)參數(shù)(驅(qū)動(dòng)電壓、柵極電阻)所決定。由于短路回路中寄生電感的存在，這一電流的變化將產(chǎn)生一個(gè)電壓降，其表現(xiàn)為集電極發(fā)射極電壓特性上的電壓陡降。穩(wěn)態(tài)短路電流值由IGBT的輸出特性所決定。對(duì)于IGBT來說，典型值最高可達(dá)到額定電流的8-10倍。

2）短路Ⅱ。在此短路情形下，IGBT在短路發(fā)生前已經(jīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)。與短路Ⅰ情形相比較，IGBT所受的沖擊更大，一旦發(fā)生短路，集電極電流迅速上升，其上升速度由直流母線電壓Udc和短路回路中的電感所決定。在時(shí)間段1內(nèi)，IGBT脫離飽和區(qū)。集電極-發(fā)射極電壓的快速變化將通過柵極集電極電容產(chǎn)生一個(gè)位移電流，該位移電流又引起柵極-發(fā)射極電壓升高，其結(jié)果是出現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的短路峰值電流IC/SCM。在IGBT完全脫離飽和區(qū)后，短路電流趨于穩(wěn)態(tài)值（時(shí)間段2）。在此期間，回路的寄生電感將感應(yīng)出一個(gè)電壓，其表現(xiàn)為IGBT過電壓。

在短路電流穩(wěn)定后（時(shí)間段3），短路電流被關(guān)斷。此時(shí)換流回路中的電感LK將在IGBT上再次感應(yīng)一個(gè)過電壓（時(shí)間段4）。IGBT在短路過程中所感應(yīng)的過電壓可能會(huì)是其正常運(yùn)行的數(shù)倍。為保證IGBT安全運(yùn)行，必須滿足下列重要的臨界條件。

1）短路必須被檢測(cè)出，并在不超過10us的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉IGBT。

2）兩次短路的時(shí)間間隔最少為1s。

3）在IGBT的總運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，其短路次數(shù)不得大于1000次。

短路Ⅰ和短路Ⅱ均將在IGBT中引起損耗，從而使結(jié)溫上升。在這里，集電極-發(fā)射極電壓的正溫度系數(shù)有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)（對(duì)漏源電壓也同樣適用），它使得穩(wěn)態(tài)短路期間的集電極電流得以減小。 2．IGBT驅(qū)動(dòng)電路過流保護(hù)檢測(cè)電路 (1)用電阻或電流互感器構(gòu)成的檢測(cè)過流電路 用電阻或電流互感器構(gòu)成的檢測(cè)過流電路如下圖(a)和(b)所示，可以用電阻或電流互感器初級(jí)與IGBT串聯(lián)，檢測(cè)IGBT集電極的電流。當(dāng)有過流情況發(fā)生時(shí)，控制單元斷開IGBT的輸人，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

(2)檢測(cè)IGBT的UCE(sat)電壓的過流檢測(cè)電

檢測(cè)IGBT的UCE(sat)電壓的過流檢測(cè)電路如圖 (c)所示，因UCE(sat)=ICRCE(sat)，當(dāng)Ic增大時(shí)，UCE(sat)也隨之增大。若柵極電壓為高電平，而UCE較高，則此時(shí)就有過流情況發(fā)生，與門輸出高電平，將過流信號(hào)輸出，控制單元斷開IGBT的輸入，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

(3)檢測(cè)負(fù)載電流的電

檢測(cè)負(fù)載電流的IGBT驅(qū)動(dòng)電路與圖(a)中的檢測(cè)方法基本相同，但圖(a)屬直接法，檢測(cè)負(fù)載電流屬間接法，如圖(d)所示。當(dāng)負(fù)載短路或負(fù)載電流加大時(shí)，也可能使前級(jí)的IGBT的集電極電流增大，導(dǎo)致IGBT損壞。由負(fù)載處（或IGBT的后一級(jí)電路）檢測(cè)到異常后，控制單元切斷IGBT的輸入，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

由IGBT構(gòu)成的逆變器中的故障電流可以在電路的不同節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)被檢測(cè)到的故障電流的反應(yīng)現(xiàn)象也各不相同。故障電流若是在IGBT功率模塊內(nèi)部被檢測(cè)到，并由IGBT功率模塊內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器直接關(guān)斷，IGBT的總響應(yīng)時(shí)間可能只有數(shù)十納秒。若故障電流檢測(cè)在IGBT功率模塊之外進(jìn)行，則故障電流信號(hào)首先被送至逆變器的控制電路，并從控制單元發(fā)出觸發(fā)故障反應(yīng)程序，這一過程被稱作慢保護(hù)。此過程甚至還可以由逆變器的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)來處理（例如系統(tǒng)對(duì)過載的反應(yīng)），使IGBT的總響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。

下圖給出了一個(gè)電壓型逆變器可能檢測(cè)到故障電流的測(cè)試點(diǎn)示意圖。故障電流的檢測(cè)可以作如下劃分：

過電流可在①～⑦點(diǎn)檢測(cè)；橋臂直通短路可在①～④和⑥、⑦點(diǎn)檢測(cè)；負(fù)載短路可在①～⑦點(diǎn)檢測(cè)；對(duì)地短路可在①、③、⑤、⑥點(diǎn)檢測(cè)，或通過計(jì)算①與②點(diǎn)電流之差而得到。原則上，IGBT短路保護(hù)要求具有快速性，以在驅(qū)動(dòng)電路的輸出端實(shí)現(xiàn)直接控制，原因是在短路發(fā)生后IGBT功率模塊必須在10us之內(nèi)關(guān)閉。為此，故障電流可以在檢測(cè)點(diǎn)③、④、⑥和⑦處檢測(cè)。

在①～⑤點(diǎn)測(cè)量故障電流可以通過測(cè)量分流器或測(cè)量用電流互感器來實(shí)現(xiàn)。采用測(cè)量用分流器檢測(cè)過電流的檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，要求用低電阻（10~100mΩ）、低電感的功率分流器，測(cè)量信號(hào)對(duì)干擾高度靈敏，測(cè)量信號(hào)不帶電位隔離。采用電流互感器檢測(cè)過電流遠(yuǎn)比分流器復(fù)雜，但與分流器相比較，測(cè)量信號(hào)不易受干擾，測(cè)量值已被隔離。

在測(cè)試點(diǎn)⑥和⑦檢測(cè)故障電流可以直接在IGBT的端子處進(jìn)行。在這里，保護(hù)方法可以是檢測(cè)（間接測(cè)量）UCE(sat)，或者是鏡像電流檢測(cè)。鏡像電流檢測(cè)采用由一個(gè)傳感器檢測(cè)一小部分IGBT單元電流的辦法來反映主電流（直接測(cè)量）。鏡像電流檢測(cè)的原理電路圖如圖(a)所示。

在一個(gè)鏡像IGBT中，一小部分的IGBT單元和一個(gè)用于檢測(cè)的發(fā)射極電阻相結(jié)合，并聯(lián)接于主IGBT的電流臂上。一旦導(dǎo)通的集電極電流通過測(cè)量電阻，便可以獲得其電流檢測(cè)值。在Rsense=0時(shí)，兩個(gè)發(fā)射極之間的電流比等于理想值，為鏡像IGBT單元數(shù)與總單元數(shù)之比。如果Rsense增大，則測(cè)量電路中導(dǎo)通的電流將因測(cè)量信號(hào)的反饋而減小。

因此，電阻Rsense應(yīng)被控制在1~5Ω的范圍內(nèi)，以便獲得足夠精確的集電極電流測(cè)量結(jié)果。如果用于關(guān)斷的電流門限值只是略大于IGBT功率模塊的額定電流，那么在IGBT開通期間，由于反向續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流峰值的作用，電流檢測(cè)必須關(guān)閉（在硬開關(guān)電路）中。檢測(cè)電阻Rsense趨于無限大時(shí)，則其測(cè)量電壓等于集電極發(fā)射極飽和電壓。因此，鏡像電流檢測(cè)轉(zhuǎn)化為UCE(sat)檢測(cè)。

審核編輯：劉清