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驅動器和有源電壓箝位技術，設計了一種閉環控制IGBT關斷過電壓的驅動電路。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構成的現代化兆瓦級變流器，廣泛出現在各類工業應用當中，尤其是近年來，隨著新能源發電技術的發展，中大功率IGBT得到了更為廣泛的應用。隨著變流器容量的提升，變流器在整個系統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、驅動指令錯誤、不足的死區時間，都會造成短路故障的發生。

　　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為器件中硅材料或焊接導線的熱效應所引起。

　　（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下的損耗，從而使得IGBT的結溫迅速升高。如果結溫超過了允許的最高結溫，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生產廠家都會保證在特定情況下10μs的短路耐受時間。

　　（2）IGBT擎住效應

　　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線上產生過大的損耗而損壞。

　　（3）vce過電壓

　　在保護電路控制IGBT主動關斷由于短路引起的大電流時，由于分布電感的存在會產生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盡可能地小，還需要一種帶有vce控制的門極驅動器。

　　短路故障的關斷過電壓

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

　　開通短路是指負載短路發生在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由門極驅動電路的特性和 IGBT的跨導決定。vce先下降，很短時間后重新開始上升，穩態時，vce略低于IGBT斷態電壓——直流側電壓vdc。

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　　通態短路是指在IGBT已經開通進入穩定導通狀態之后，負載發生短路，如圖1b）所示。短路發生后，ic上升，dic/dt由短路阻抗和直流側電壓vdc決定。當ic升高至由門極電壓vge和IGBT跨導所決定的穩態最大電流后，IGBT將退出飽和區，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繼續增大，從而使得ic表現出很大的過沖，這將導致IGBT擎住現象發生甚至毀壞。

　　仔細觀察圖1中vce曲線，可以發現，在短路過程中，vce出現兩次過沖。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果，無論何時，只要流經IGBT、母排、直流側電容的電流發生換向，關斷過電壓都將出現。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，直流側電容中的等效串聯電感以及IGBT封裝中的電感。vdfy表示反并聯二極管的正向恢復電壓，通常為10到50v。

　　為了保證vce在IGBT的額定范圍以內換流電流變化率必須滿足下式。

　　短路時關斷過電壓的抑制方法

　　傳統保護方法

　　傳統IGBT驅動器 的控制框圖如圖3所示。正常運行時，IGBT經rg_on開通，經rg_off關斷。當短路或過流故障發生時，為了限制關斷過電壓，IGBT經阻值較大的電阻rg_fault關斷。這將使vge緩慢下降，從而消除顯著的關斷過電壓。然而，這是一種開環的控制方法，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關斷信號在短路故障檢測出之前使能，IGBT將經rg_off關斷，這樣一來，IGBT損壞將不可避免。

　　對于傳統驅動器中存在的問題，本文中使用一種被稱為“有源電壓箝位技術”的方法，設計了一種閉環的保護驅動電路，如圖4所示。

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

　　在檢測到短路故障之后，IGBT經rg_fault關斷，當vce升高至瞬態抑制二極管的擊穿電壓時，電流通過瞬態抑制二極管向IGBT門極充電，提升IGBT的門極電壓vge，隨著vce的繼續升高，流過瞬態抑制二極管的電流將增大，從而動態的改變dic/dt，實現了關于vce的閉環保護。

　　實驗結果

　　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，9只低感薄膜電容——每只225μf/1200v——組成直流側電容，功率開關與直流側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，具有更低的導通壓降，更快的開關速度，同時，采用了新的econodual封 裝模式，保證了IGBT封裝內部更低的分布電感。

　　驅動板采用infineon的1700v IGBT驅動器2ed300c17作為核心器件，提供良好的隔離和兩路隔離的正負30a的峰值驅動電流能力，以及過流保護、欠壓保護等。通過實時檢測導通時的vce電壓，能夠快速判定短路故障，及時控制門極電平，實現IGBT的軟關斷。其故障狀態下的軟關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下關斷IGBT時產生的高di/dt，降低了IGBT兩端的關斷過電壓，保證在最嚴重的的短路下實現安全有效的保護。

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

　　igbt模塊化的設計與分析：

　　1. 引言

　　近年來，IGBT功率器件在電機控制、開關電源和變流設備等領城的應用已經非常廣泛。IGBT的驅動包括專門的驅動電路，以及過流保護電路等，本文設計參考了三菱、西門康等公司生產的IGBT驅動模塊，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，實現了整個驅動電路的模塊化設計。單個模塊可以驅動一個橋臂的上下兩個IGBT。可以通過方波控制或者SPWM控制等控制方式，驅動單相或者三相逆変器。

　　2. IGBT驅動模塊設計

　　圖1所示為本文設計的IGBT驅動模塊的構成圖，主要由五部分電路模塊組成。接口選擇模塊可實現光纖和電信號的切換功能選擇模塊可實現兩種驅動模式一獨立驅動和互補驅動的切換；電源模塊的作用是給整個模塊提供所需的電壓驅動與保護模塊的作用是放大驅動信號和檢測過流保護功率補充模塊可用于驅動不同等級的IGBT功率器件。

　　2.1 接口選擇模塊

　　接口選擇模塊的設計是為了使驅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計。DSP發出的驅動信號Signal_in為高時，驅動板接收的IN_X信號為低，反之，驅動板接收的信號為高。設置DSP主控板發射的信號為低電平有效，可以防止干擾，例如若發射端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開關在5V和GND的切換，實現MOD信號的高低電平切換，再經過邏輯電路的處理，實現獨立驅動和互補驅動兩種驅動模式的切換。

　　如表1所述，獨立驅動方式下，MOD開關接GND，IN_A、IN_B兩輸入信號各自獨立，經過設定的邏輯處理輸出。若在此驅動方式下驅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時間，對控制的要求比較高，所以此驅動方式一般用于驅動單管。

　　互補驅動方式下，MOD開關接5V，IN_A為驅動脈沖信號，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的驅動信號，可以保證上下管的輪流導通，死區產生電路如圖4所示，通過設定R、C的值，經過施密特觸發器實現延遲觸發，從而實現死區的設定。

　　2.3 電源模塊?

　　圖5所示的電源模塊部分電路拓撲采用一個反激變換器，將直流24V供電電壓變換成+15V和-10V的直流電壓，給驅動與保護模塊供電。該電源模塊隔離電壓為3000VDC。

　　2.4 驅動與保護模塊與功率補充模塊

　　該部分電路結構如圖6所示。功能選擇模塊輸出的控制信號經光耦隔離，驅動呈推挽結構的三極管輸出+15V或-10V的電壓，通過驅動電阻Rg對IGBT的柵極進行驅動。采用負電壓關斷IGBT器件，能夠保證IGBT快速有效的關斷，可靠性高。

　　利用DSAT檢測方法對IGBT集電極電壓VCE的檢測，判斷是否發生了過流保護，進而產生保護信號，封鎖脈沖。IGBT導通時，過流檢測電路的輸入電壓信號V與dtect其內部的參考電壓信號Vth進行比較，如果Vdtect》Vth，則認為產生了過流保護。Vdtect計算公式見式（1）。其中VCE是IGBT的導通飽和壓降，VRm是電阻Rm上的電壓，Rm越大VRm，VDm是二極管Dm的導通飽和壓降。調節電阻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構，作用是加強驅動電路的驅動能力，增大驅動輸出電流，以驅動大功率的IGBT器件。

　　3. 試驗及結果

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

　　圖8為功能選擇模塊輸出信號經驅動與保護模塊與功率補充模塊輸出到一個橋臂上下兩IGBT柵極的驅動脈沖的電壓波形。導通信號為+15V，關斷信號為-10V。兩列觸發脈沖互補，驅動上下管輪流導通。

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

　　圖10為應用三塊該驅動模塊驅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載，總輸出功率超過50kVA。

　　4. 結束語

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