IGBT過(guò)流保護(hù)技術(shù)示例

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的整體市場(chǎng)趨勢(shì)是對(duì)更高效率，可靠性和穩(wěn)定性的不斷增長(zhǎng)的需求。 功率半導(dǎo)體器件制造商繼續(xù)尋求傳導(dǎo)損耗和開關(guān)時(shí)間的突破。 增加絕緣柵雙極晶體管（IGBT）傳導(dǎo)損耗的一些權(quán)衡因素是：更高的短路電流水平，更小的芯片尺寸，更低的熱容量和短路耐受時(shí)間。 這突出了柵極驅(qū)動(dòng)器電路和過(guò)流檢測(cè)和保護(hù)的重要性。 本文討論了現(xiàn)代工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中短路保護(hù)的成功和可靠實(shí)施。

工業(yè)環(huán)境中的短路

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作環(huán)境相對(duì)惡劣，可能出現(xiàn)高溫、交流線路瞬變、機(jī)械過(guò)載、接線錯(cuò)誤以及其它突發(fā)情況。其中有些事件可能會(huì)導(dǎo)致較大的過(guò)流流入電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率電路中。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(dòng)中的典型短路事件

其中：

1是逆變器直通。這可能是由于不正確開啟其中一條逆變器橋臂的兩個(gè)IGBT所導(dǎo)致的，而這種情況又可能是因?yàn)樵馐芰穗姶鸥蓴_或控制器故障。它也可能是因?yàn)楸凵系钠渲幸粋�(gè)IGBT磨損/故障導(dǎo)致的，而正常的IGBT保持開關(guān)動(dòng)作。

2是相對(duì)相短路。這可能是因?yàn)樾阅芟陆怠�溫度過(guò)高或過(guò)壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。

3是相線對(duì)地短路。這同樣可能是因?yàn)樾阅芟陆怠�溫度過(guò)高或過(guò)壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組和電機(jī)外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。一般而言，電機(jī)可在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)(毫秒到秒，具體取決于電機(jī)尺寸和類型)吸收極高的電流；然而，IGBT——工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器級(jí)的主要部分——短路耐受時(shí)間為微秒級(jí)。

IGBT短路耐受能力

IGBT短路耐受時(shí)間與其跨導(dǎo)或增益以及IGBT芯片熱容量有關(guān)。更高的增益導(dǎo)致IGBT內(nèi)的短路電流更高，因此顯然增益較低的IGBT具有較低的短路電平。然而，較高增益同樣會(huì)導(dǎo)致較低的通態(tài)導(dǎo)通損耗，因而必須作出權(quán)衡取舍。IGBT技術(shù)的發(fā)展正在促成增加短路電流電平，但降低短路耐受時(shí)間這一趨勢(shì)。此外，技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致使用芯片尺寸更小， 縮小了模塊尺寸，但降低了熱容量，以至耐受時(shí)間進(jìn)一步縮短。

另外，還與IGBT集電極-發(fā)射極電壓有很大關(guān)系，因而工業(yè)驅(qū)動(dòng)趨向更高直流總線電壓電平的并行趨勢(shì)進(jìn)一步縮減了短路耐受時(shí)間。過(guò)去，這一時(shí)間范圍是10 μs，但近年來(lái)的趨勢(shì)是在往5 μs3以及某些條件下低至1 μs方向發(fā)展。

此外，不同器件的短路耐受時(shí)間也有較大的不同，因此對(duì)于IGBT保護(hù)電路而言，通常建議內(nèi)建多于額定短路耐受時(shí)間的額外裕量。

IGBT過(guò)流保護(hù)

無(wú)論出于財(cái)產(chǎn)損失還是安全方面的考量，針對(duì)過(guò)流條件的IGBT保護(hù)都是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。IGBT并非是一種故障安全元件，它們?nèi)舫霈F(xiàn)故障則可能導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個(gè)驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障。過(guò)流保護(hù)一般通過(guò)電流測(cè)量或去飽和檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2顯示了這些技巧。

對(duì)于電流測(cè)量而言，逆變器臂和相位輸出都需要諸如分流電阻等測(cè)量器件，以便應(yīng)付直通故障和電機(jī)繞組故障。控制器和/或柵極驅(qū)動(dòng)器中的快速執(zhí)行跳變電路必須及時(shí)關(guān)斷IGBT，防止超出短路耐受時(shí)間。這種方法的最大好處是它要求在每個(gè)逆變器臂上各配備兩個(gè)測(cè)量器件，并配備一切相關(guān)的信號(hào)調(diào)理和隔離電路。只需在正直流總線線路和負(fù)直流總線線路上添加分流電阻即可緩解這種情況。然而，在很多情況下，驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中要么存在臂分流電阻，要么存在相位分流電阻，以便為電流控制環(huán)路服務(wù)，并提供電機(jī)過(guò)流保護(hù)；它們同樣可能用于IGBT過(guò)流保護(hù)——前提是信號(hào)調(diào)理的響應(yīng)時(shí)間足夠快，可以在要求的短路耐受時(shí)間內(nèi)保護(hù)IGBT。

圖2 IGBT過(guò)流保護(hù)技術(shù)示例

去飽和檢測(cè)利用IGBT本身作為電流測(cè)量元件。原理圖中的二極管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓在導(dǎo)通期間僅受到檢測(cè)電路的監(jiān)控；正常工作時(shí)，集電極-發(fā)射極電壓非常低(典型值為1 V至4 V)。然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅(qū)動(dòng)IGBT退出飽和區(qū)并進(jìn)入線性工作區(qū)的電平。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快速升高。上述正常電壓電平可用來(lái)表示存在短路，而去飽和跳變閾值電平通常在7 V至9 V區(qū)域內(nèi)。重要的是，去飽和還可表示柵極-發(fā)射極電壓過(guò)低，且IGBT未完全驅(qū)動(dòng)至飽和區(qū)。進(jìn)行去飽和檢測(cè)部署時(shí)需仔細(xì)，以防誤觸發(fā)。這尤其可能發(fā)生在IGBT尚未完全進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，從IGBT關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到IGBT導(dǎo)通狀態(tài)期間。消隱時(shí)間通常在開啟信號(hào)和去飽和檢測(cè)激活時(shí)刻之間，以避免誤檢。通常還會(huì)加入電流源充電電容或RC容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持