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IGBT应用技术之驱动保护(2)


IGBT 的外特性:
 
IGBT 的外特性图中可以读出的信息:
图中左下角的图是datasheet中给出的IGBT外特性曲线,通常这个图只给出额定电流的2倍的曲线,电流再大的部分属于定性不定量的示意图。当电流等于450A,即1倍额定电流时,Vcesat=2.5V;在2倍额定电流时,Vcesat=3.9V;在3倍额定电流时,Vcesat=5~6V;当电流达到4倍额定电流时,IGBT会承受住外部电压的所有值。
这张图可以看出:
1. IGBT在某个固定的门极电压下,其电流达到一定高度就上不去了。这说明,IGBT在短路时,电流会被限制在一个稳定的水平,其数值大约为IGBT额定电流的4倍,(该数值与IGBT的芯片类型有关系)。
2. 门极电压可以强烈地影响IGBT短路电流的数值,门极电压较低时,短路电流会比较低,门极电压升高,短路电流也会升高。
3. IGBT的电流在1倍至3倍之间变化,Vcesat的变化是非常微弱的,只有几V的差别。
4. IGBT在退饱和后,Vcesat会有显著变化。
5. IGBT在短路时,实际上进入了线性区。
IGBT的退饱和行为的介绍:
IGBT的外特性的形状实际上和三极管及MOSFET的外特性是相似的,在IGBT的线性区,门极电压与短路电流的关系是线性的。
IGBT退饱和行为,其字面的意思是退出了饱和区,实际就是进入线性区的另外一种说法。
IGBT的电流如果持续增大,当到达某一个点(退饱和点)时,IGBTVce会发生显著变化,会在非常短的时间内(例如几百纳秒内)上升至直流母线电压。退饱和行为的标志就是Vcesat上升至直流母线电压。
Vcesat在饱和区内的变化是非常微弱的,如果想利用饱和压降的变化来辨识IGBT的电流是很困难的,通常我们只辨识IGBT的退饱和行为。
IGBT的短路安全工作区(SCSOA):
IGBTdatasheet中,(以某品牌的450A IGBT为例),IGBT的短路性能是有所定义的,我们可以认为这是短路安全工作区。见下图。
定义这个数值时使用的是一类短路,其意义是:在母线电压为800V,门极电压小于等于15V,结温为150度的情况下,施加一个宽度为10us的脉冲,在第10us时,IGBT的电流大约为1800A。并且说明,这样的测试是安全,是可以重复的。
实际上定义这个测试背后的约束条件是在短路时IGBT芯片上的能量,在IGBT短路时,IGBT会退出饱和区,所以其Vce=800V,电流基本稳定在1800A,在10us内,能量为:E=U·I·t=800V·1800A·10us=14 4J。也就是说,短路时,IGBT能扛住14.4焦耳的能量。
IGBT短路时的关断风险:
IGBT发生短路时,电流上升至4倍额定电流以上,最终IGBT是要将这个电流关断掉的,这时的电流的数值比平常变流器额定工作时的电流高了很多,所以此时产生的电压尖峰也是非常高的。为了防止电压尖峰损坏IGBT,还需要引入有源钳位电路,但并不是所有的驱动电路都需要配备有源钳位功能,容量比较大的IGBT,就比较有必要配置此电路。
IGBT 短路允许时间与电流的关系:
短路允许时间及短路电流是门极电压的函数 tcs; Ics= f (VGE);
从右图可知,当门极电压越高,短路电流倍数越高,相应地,短路允许时间会变少。反之,短路允许时间会增多。如果在发生短路时,将门极电压变低,IGBT的短路电流会变小,允许持续的时间也增多。
SCALE 驱动器的短路保护原理(1):
CONCEPT 第一代SCALE 驱动核的内部原理框图:
上图所示的电路是经典的IGBT保护电路,其原理是:
1. 当IGBT关断时,T1导通,电流源1被T1旁路,Ca的点位被钳在低位,比较器不翻转;
2. 当IGBT进入开通的过程中,T1截止,IGBT进入饱和导通,电流源1流过Rm,Dm及IGBT形成回路,比较器不翻转。
3. 当IGBT出现短路时,会退出饱和区,Vce快速上升至直流母线电压,Dm马上截止,电流源1则向Ca充电,Ca的电位线性上升,到达门槛时比较器翻转。
SCALE 驱动器的短路保护原理(2):
这个电路的关键点:
1. 电容Ca的作用是定时,因为被恒流源充电,其电压线性增长,表达式为:
2. 二极管Dm的截止时刻就是IGBT退出饱和区的起始时刻,同时也是电容被充电的起始时刻;
3. Dm的截止时刻可以看成是驱动器发现IGBT短路的时刻;
4. 从这个时刻起,IGBT就只能耐受10us的时间,因此Ca承担着定时的作用,在10us内比较器就要翻转,从比较器翻转到IGBT关断,中间不再有延迟。
5. Ca定时的时间长短由电流源数值,电容值以及比较门槛决定。
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