大功率逆变器组合式IGBT过流保护方案

现代功率变换器均采用大功率半导体开关器件，其所能承受的电流过载能力相对于旋转变流装置要低得多，如IGBT一般只能承受几十微秒甚至几微秒的过载电流，一旦发生短路就要求保护电路能在尽可能短的时间内关断开关器件，切断短路电流，使开关器件不致于因过流而损坏。但是，在短路情况下迅速关断开关器件，将导致负载电流下降过快而产生过大的di/dt。由于引线电感和漏感的存在，过大的di/dt将产生很高的过电压，使开关器件面临过压击穿的危险。对于IGBT，过高的电压又可能导致器件内部产生锁定效应，从而使器件失控而损坏。因此，必须综合考虑和设计功率变换器的短路保护电路，以确保电流保护的有效性。
    1．IGBT的失效原因和保护方法
    引起IGBT失效的原因有：
    ①过热损坏。集电极电流过大易引起瞬时过热，如器件散热不良会使器件持续过热，当温度超过允许值时IGBT器件将损坏。如果器件持续工作在外部负载短路状态下，大电流产生的功耗将引起温升，由于芯片的热容量小，其温度迅速上升。若芯片温度超过硅本征温度（约250℃），器件将失去阻断能力，栅极控制就无法保护，从而导致IGBT失效。实际运行时，一般最高允许IGBT器件的工作温度为130度左右。
②超出关断安全工作区引起锁定效应而损坏。锁定效应分静态锁定效应和动态锁定效应，IGBT为PNPN四层结构，体内存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs，P型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电压降，对NPN基极来说相当于一个正向偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正向偏置电压不大，对NPN晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状态。于是，寄生晶闸管导通，栅极失去控制作用，形成自锁现象，这就是所谓的静态锁定效应。IGBT发生锁定效应盾，集电极电流增大，产生过高功耗，导致器件失效。动态锁定效应主要是在器件高速关断时电流下降太快，dU_CE/dt很大，引起较大位移电流流过Rs，产生足以使NPN晶体管开通的正向偏置电压，造成寄生晶闸管自锁。
    ③瞬态过电流。IGBT在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等故障外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短，如果不采取措施，也可能会导致IGBT失效。
    ④过电压造成集电极与发射极击穿。
    ⑤过电压造成栅极与发射极击穿。
    2．IGBT的保护方法
    当过流情况出现时，IGBT必须维持在短路安全工作区(SCSOA)内。IGBT承受短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。为了防止由于短路故障而造成IGBT损坏，必须有完善的故障检测与保护环节。一般的检测方法分为电流传感器和IGBT欠饱和式保护。
（1）过流信息检测
为了实现IGBT的短路保护，必须进行过流检测。适用于过流检测的方法通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的集电极电流Ic，然后与设定的阈值进行比较，采用比较器的输出去控制驱动信号的关断。也可以检测过流时IGBT的集电极一发射极间电压U_CE，因为管压降含有短路电流的信息，过流时UCE将增大，且基本上与k成线性关系，故检测过流时的UCE并与设定的阈值进行比较，采用比较器的输出控制驱动电路的关断，也可完成过流保护。
（2）封锁驱动信号
在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下，可通过逆变桥输入直流母线上的电流传感器进行检测。当检测电流值超过设定的阈值时，保护动作封锁所有桥臂的驱动信号。这种保护方法最直接，但吸收电路和钳位电路必须经特别设计，使其适用于短路情况。这种方法的缺点是会造成IGBT关断时承受的应力过大，特别是在关断感性大电流负载时，必须采取相应的保护电路以避免IGBT的锁定效应发生。
（3）减小栅压
IGBT的短路电流和栅压有密切关系，栅压越高，短路时电流就越大。在短路或瞬态过流情况下若能在瞬间将UGE分步减小或斜波减小，短路电流便会减小下来，当IGBT关断时di/dt也减小。集成驱动电路（如EXB841或M579XX系列）都有UCE检测电路，当发现欠饱和时，将栅压钳位到10V左右，增大UCE限制过电流幅值，延长允许过流时间。短路允许时间tsc和短路电流Isc同栅极电压UCE的关系如图5-50所示。在短路电流出现时，为了避免关断IGBT时di/dt过大形成过电压，导致IGBT失控或过压而损坏，通常采用降栅压的软关断综合保护技术，即在检测到过流信号后首先是进行降栅压保护，以降低故障电流的幅值，延长IGBT承受过载电流的时间。在降栅压动作后，设定一个固定延迟时间以判断故障电流的真实性。如在延迟时间内故障消失，则栅压自动恢复；如故障仍然存在，则执行软关断，使栅压降至0V以下，最终关断IGBT。采用降栅压软关断综合保护技术可使故障电流的幅值和下降率以及过电压都受到限制，使IGBT的运行轨迹处于安全区内。     在设计降栅压软关断保护电路时，要正确选择降栅压的幅度和速度。如果降栅压的幅度较大（如7. 5V以上），则降栅压的速度就不要太快，一般采用2us左右的下降时间。由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，则封锁栅极可快些，不必采用软关断。如果降栅压幅度较小（比如5V以下），则降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢一些，即采用软关断，以避免产生过高的过电压。
    (4)降频“打嗝”保护
在大功率负载中，为了使电源在短时间的短路故障状态下不中断工作，而又能避免连续进行短路保护产生热积累而损坏IGBT，可采用使工作频率降低的方法形成间歇“打嗝”保护，待故障消除后再恢复正常工作。在降频“打嗝”保护中并非每个保护电路都是必需的。