【導(dǎo)讀】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(hù)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(jī)繞組絕緣擊穿、電機(jī)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?？偟膩碚f，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(yuǎn)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。
（2）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(kuò)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。
（3）vce過電壓
在保護(hù)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。
圖1：兩種IGBT短路故障特性
通態(tài)短路是指在IGBT已經(jīng)開通進(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(hù)IGBT免于由于此類故障損壞。
圖2：換流回路的等效電路
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。
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短路時關(guān)斷過電壓的抑制方法
傳統(tǒng)保護(hù)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。
圖3：傳統(tǒng)的驅(qū)動電路
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(hù)驅(qū)動電路，如圖4所示。
圖4：所采用的的閉環(huán)保護(hù)方法示意圖
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(hù)器件，反應(yīng)時間可以達(dá)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(yuǎn)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(hù)。
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。
圖5：試驗工作臺
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(hù)、欠壓保護(hù)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(hù)。
圖6：短路試驗結(jié)果
在vdc=1200v下進(jìn)行了短路試驗，試驗波形如圖6所示。可見，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(hù)了IGBT，所采用的有源電壓箝位技術(shù)達(dá)到了預(yù)期的效果。
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