摘要

工業電機驅動的整個市場趨勢是對更高效率以及可靠性和穩定性的要求不斷提高。功率半導體器件制造商不斷在導通損耗和開關時間上尋求突破。有關增加絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)導通損耗的一些權衡取舍是：更高的短路電流電平、更小的芯片尺寸，以及更低的熱容量和短路耐受時間。這凸顯了柵極驅動器電路以及過流檢測和保護功能的重要性。本文討論現代工業電機驅動中成功可靠地實現短路保護的問題，同時提供三相電機控制應用中隔離式柵極驅動器的實驗性示例。

工業環境中的短路

工業電機驅動器的工作環境相對惡劣，可能出現高溫、交流線路瞬變、機械過載、接線錯誤以及其它突發情況。其中有些事件可能會導致較大的過流流入電機驅動器的功率電路中。圖1顯示了三種典型的短路事件。

它們是：

1. 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IGBT所導致的，而這種情況又可能是因為遭受了電磁干擾或控制器故障。它也可能是因為臂上的其中一個IGBT磨損/故障導致的，而正常的IGBT保持開關動作。
2. 相對相短路。這可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件導致電機繞組之間發生絕緣擊穿所引起的。
3. 相線對地短路。這同樣可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件導致電機繞組和電機外殼之間發生絕緣擊穿所引起的。

一般而言，電機可在相對較長的時間內(毫秒到秒，具體取決于電機尺寸和類型)吸收極高的電流；然而，IGBT——工業電機驅動逆變器級的主要部分——短路耐受時間為微秒級。

IGBT短路耐受能力

IGBT短路耐受時間與其跨導或增益以及IGBT芯片熱容量有關。更高的增益導致IGBT內的短路電流更高，因此顯然增益較低的IGBT具有較低的短路電平。然而，較高增益同樣會導致較低的通態導通損耗，因而必須作出權衡取舍。

1 IGBT技術的發展正在促成增加短路電流電平，但降低短路耐受時間這一趨勢。此外，技術的進步導致使用芯片尺寸更小，2縮小了模塊尺寸，但降低了熱容量，以至耐受時間進一步縮短。另外，還與IGBT集電極-發射極電壓有很大關系，因而工業驅動趨向更高直流總線電壓電平的并行趨勢進一步縮減了短路耐受時間。過去，這一時間范圍是10 μs，但近年來的趨勢是在往5 μs3以及某些條件下低至1 μs方向發展。4 此外，不同器件的短路耐受時間也有較大的不同，因此對于IGBT保護電路而言，通常建議內建多于額定短路耐受時間的額外裕量。

IGBT過流保護

無論出于財產損失還是安全方面的考量，針對過流條件的IGBT保護都是系統可靠性的關鍵所在。IGBT并非是一種故障安全元件，它們若出現故障則可能導致直流總線電容爆炸，并使整個驅動出現故障。5 過流保護一般通過電流測量或去飽和檢測來實現。圖2顯示了這些技巧。對于電流測量而言，逆變器臂和相位輸出都需要諸如分流電阻等測量器件，以便應付直通故障和電機繞組故障。控制器和/或柵極驅動器中的快速執行跳變電路必須及時關斷IGBT，防止超出短路耐受時間。這種方法的最大好處是它要求在每個逆變器臂上各配備兩個測量器件，并配備一切相關的信號調理和隔離電路。只需在正直流總線線路和負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，驅動架構中要么存在臂分流電阻，要么存在相位分流電阻，以便為電流控制環路服務，并提供電機過流保護；它們同樣可能用于IGBT過流保護——前提是信號調理的響應時間足夠快，可以在要求的短路耐受時間內保護IGBT。

去飽和檢測利用IGBT本身作為電流測量元件。原理圖中的二極管確保IGBT集電極-發射極電壓在導通期間僅受到檢測電路的監控；正常工作時，集電極-發射極電壓非常低(典型值為1 V至4 V)。然而，如果發生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅動IGBT退出飽和區并進入線性工作區的電平。這導致集電極-發射極電壓快速升高。上述正常電壓電平可用來表示存在短路，而去飽和跳變閾值電平通常在7 V至9 V區域內。