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IGBT应用技术之驱动保护

IGBT保护的目的是保证IGBT模块、电路、设备安全可靠运行,在各种非正常工作状态下不损坏。IGBT保护应首先从IGBT变流器系统总体设计上考虑。器件的正确选型、正确使用;IGBT驱动电路、控制电路的合理设计、相互匹配,使器件工作于最佳状态的一切措施是器件安全可靠运行的基础。优化的IGBT变流器系统设计应以保护电路形同虚设为目标。由于外界不可抗拒因素和非正常工作条件,保护电路和措施是重要的和不可缺少的。它可以在非正常工作情况出现,发生故障时保护IGBT不损坏,提高设备运行的安全性和可靠性。在IGBT模块应用中可以通过系统控制器或者IGBT驱动器提供故障管理。控制器适用于对慢速故障模式做出反应,如过载所导致的过热。相反,需要IGBT驱动器检测和响应突发故障。
IGBT模块的风险点主要有以下几个方面:电压(VCE过压、VGE过压、过高的dv/dt、静电(ESD))、电流(过流(Over-current)、短路(Short-circuit)、过高di/dt)、温度(TJ(结温)>150°C、Tcase(壳温)<-40°C)、温度循环(Thermal cycling)、温度冲击(Thermal shock)、功率循环(Power cycling)、振动(Vibration)。IGBT驱动器可以保护的项目有:VCE 过压、VGE 过压、过高的dv/dt、短路(Short-circuit)、过高的 di/dt。
短路的定义(1)
桥臂内短路(直通)特点:
1.命名为“一类”短路;
2.硬件失效或软件失效;
3.短路回路中的电感量很小(100nH级);
4.VCE sat 检测。
桥臂间短路(大电感短路)特点:
1.命名为“二类”短路;
2.相间短路或相对地短路;
3.短路回路中的电感量稍大(uH级的);
4.可以使用Vcesat ,也可以使用霍尔,根据电流变化率来定这类短路的;
5.回路中的电感量是不确定的。
短路的定义(2):
IGBT发生短路时,描述短路电流的数学表达式如下,这是一个线性方程。它表示,在短路发生时,电流的绝对值与电压,回路中的电感量,及整个过程持续的时间有关系。
绝大部分的短路,母线电压都是在额定点的,影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。因此对短路行为进行分类定义时,短路回路中的电感量是主要的分类依据。
如果短路回路中的电感量再继续增大,那么电流变化率就变得更低,此时就不是短路了,变成过流了。这时驱动器是察觉不到这种异常状态的,因此在系统中需要电流传感器来感知电流的绝对数值,从而进行过流保护。我们认为,通常IGBT驱动器是不能进行过流保护的。
二类短路与过流之间没有明显的界限,学术上没有进行定义,在工程上,可以做一个很粗略的假设:10A/us以下的电流变化率视为“过流”。
短路保护和过流保护的意义及其区别:
通常我们说的短路保护和过流保护是不一样的,是两个很不一样的概念,不应该混为一谈。
短路分为一类及二类两种,但这两种短路都有一个共同点,那就是,IGBT会出现“退饱和现象”,当IGBT一旦退出饱和区,它的损耗会成百倍的往上升,那么允许持续这种状态的时会非常苛刻了,只有10us,我们需要靠驱动器发现这一行为并关掉门极。
IGBT过流的情况则是,回路电感较大,电流爬升很慢(相对于短路),IGBT不会发生退饱和现象,但是由于电流比正常工况要高很多,因此经过若干个开关周期后,IGBT的损耗也会比较高,结温也会迅速上升,从而导致失效。在这时,IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的,因为IGBT的饱和压降的变化很微弱,驱动器通常识别不到这种变化。所以需要靠电流传感器来感知电流的数值,对系统进行保护。
所以,我们认为,IGBT驱动器是为了解决短路保护,而过流保护则是由电流传感器来完成。
一类短路:
发生一类短路时,IGBT的电流会快速上升,当电流上升到一定数值时,(一般为4倍额定电流),IGBT会发生退饱和现象,其标志是IGBT的电压会迅速上升至直流母线电压。当IGBT退出饱和区后,IGBT的电流为4倍额定电流(此倍数与芯片类型有关),电压为母线电压,(外电路的所有电动势都压在IGBT上),IGBT芯片的损耗非常大,根据规格书,其最多能耐受10us的短路状态。驱动器需要在此时间内把IGBT关掉,此时的关断是完全安全的。
二类短路:
发生二类短路时,由于回路的电感量稍大,电流爬升的速度慢了一些,(比一类短路慢,但实际还是很快的),门极脉冲打开时,IGBTVce下降至饱和压降,随着电流进一步加大,饱和压降轻微上升;当电流到达退饱和点时,Vce迅速上升至直流母线电压,我们把Vce上升的过程称为退饱和行为。当IGBT 退出饱和区后,其损耗要比未退饱和前高数百倍,因为Vce从几伏上升至几百伏,而电流则没有明显变化。从退饱和算起,10us内,必须关断IGBT
另外,还需要注意的是,当IGBT电流上升的过程中,Vge也在上升,这是一种米勒效应,IGBT在短路时,门极电压有被向上抬升的趋势。
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