引言

每次談到IGBT都要把它的優(yōu)點先說一遍，就當我嘮叨了。IGBT結(jié)合了電力場效應(yīng)管和電力晶體管導通、關(guān)斷機制的優(yōu)點，相比于其他大功率開關(guān)器件，IGBT的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、沒有二次擊穿效應(yīng)且易于并聯(lián)。大功率IGBT應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域和新能源發(fā)電系統(tǒng)，隨著變流器容量和電壓等級的提高，變流器的可靠性成為不可忽視的關(guān)鍵問題，而作為其核心的IGBT的可靠性當然是重中之中。短路保護便是IGBT可靠性考量中的一個因素。在IGBT短路保護實驗中，由于IGBT特性和內(nèi)部寄生電感的影響，IGBT關(guān)斷過程中，電流的變化率(di/dt)非常大，應(yīng)采取措施來限制短路電流的上升率，延緩IGBT的關(guān)斷時間。

今天我們以風電變流器為例，來聊一聊IGBT短路時的工作狀態(tài)、短路保護電路的原理。

IGBT短路情況時工作狀態(tài)

當IGBT發(fā)生短路時，應(yīng)充分考慮其當時的工作狀態(tài)。如果當時情況下IGBT仍處于導通狀態(tài)，由于直流回路中的電感小，此時的短路電流會非常大，這是電力電子應(yīng)用中不允許發(fā)生的，所以，要通過放大區(qū)來限制IGBT在短路狀態(tài)下的電流。

短路電路中的電感量決定了IGBT的短路電流和功耗。如果電感量小，那么關(guān)斷過程中的電流變化率di/dt就會非常大，IGBT迅速進入退飽和階段，同時結(jié)溫上升；如果電感量大，那么關(guān)斷過程中，短路電流不斷上升，但是IGBT端電壓、功耗和結(jié)溫上升的卻不是很大。同時，較大的電感量會導致非常大的關(guān)斷電壓尖峰，這個電壓尖峰必須控制在IGBT的阻斷電壓之下，否則會導致IGBT失效。

IGBT在短路時，快速退飽和引起的電壓變化率dv/dt會促使IGBT的門極電壓增加，并導致較大的短路電流，從而導致功耗的增加，甚至損壞IGBT，同時，IGBT的短路情況下的集射極電壓uce將快速上升。

短路保護的原理

1SCSOA和短路維持時間

IGBT短路保護的目的是，在IGBT發(fā)生短路，在IGBT損壞前及時地將IGBT關(guān)斷，并將短路電流和保護關(guān)斷時的I-U運行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區(qū)域(SCSOA)。短路時間的增加會使得SCSOA減小，同時SCSOA還與外電路布線電感和廠家的工藝結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于雜散電感的存在，短路大電流時，IGBT的I-U運行軌跡很容易超出SCSOA的范圍，從而導致IGBT失效。

退飽和檢測技術(shù)普遍地用來監(jiān)測IGBT短路情況。采用退飽和保護驅(qū)動時，IGBT的短路維持時間為tw=10us。此期間，IGBT保護電路應(yīng)快速、準確地檢測到短路故障，并在允許時間內(nèi)關(guān)斷IGBT，來達到保護IGBT的目的。

2短路電流

IGBT短路時，uce緩慢上升至母線電壓，較大的跨導gfs增加了Isc(線性區(qū)時，有這樣一個公式：Ic=(Vge-Vth)*gsf)，并且有明顯的過沖，短路維持時間越長，IGBT的開關(guān)和傳導損耗就越大。此時，門極驅(qū)動必須快速關(guān)斷具有較低短路維持時間的IGBT器件。唯一的辦法就是降低Vge，使其低于閾值電壓。在有源鉗位的作用下，uce快速達到鉗位電壓，抑制故障時的Isc。過大的Isc可能會引起IGBT器件發(fā)生鎖定效應(yīng)或過電壓擊穿，Isc超過IGBT內(nèi)部寄生晶閘管結(jié)構(gòu)的擎住電流時就會發(fā)生鎖定效應(yīng)，此時IGBT會失去門極的關(guān)斷能力。故限制Isc的幅值可以有效地防止鎖定效應(yīng)。同時較大的di/dt在電路雜散電感的作用下會產(chǎn)生很高的過電壓，可能會導致IGBT的擊穿，緩慢降低Vge可以避免此情況。

3短路保護電路分析

基本框架圖如下所示

在該電路中，通過檢測uce來監(jiān)視IGBT的短路和過電流。原理是，當流過IGBT的電流過大時，通態(tài)壓降會急劇上升。當發(fā)生短路時，通過uce監(jiān)視使能邏輯來進行保護。IGBT導通時檢測uce，如果期間內(nèi)uce超過了預(yù)先設(shè)定的值，就會產(chǎn)生一個故障信號，通過內(nèi)部軟件

來平滑地關(guān)斷IGBT。電路地電壓設(shè)定值和延遲時間可以通過外部的RC回路中的電阻和電容來設(shè)定。

發(fā)生短路時，IGBT集電極退飽和，圖中的a點電位升高。當uce超過設(shè)定的門檻電壓時，故障檢測點視為低電平，輸出故障信號，并經(jīng)過觸發(fā)邏輯電路的判斷后，閉鎖觸發(fā)脈沖，使得輸出到門極驅(qū)動放大電路中的驅(qū)動信號也變?yōu)榈碗娖健Ｔ谲涥P(guān)斷電阻的作用下，IGBT的Vge緩慢下降，抑制電壓過沖。

正常情況下，電壓門檻值為高阻抗，在uce監(jiān)視使能邏輯下比較器的輸出為高電平。

短路保護電路中，還包含有源鉗位的功能，即當發(fā)生短路時，uce快速增大，并產(chǎn)生一個非常大的過壓，但在鉗位二極管的作用下，使其穩(wěn)定在鉗位二級管的電壓，抑制了uce的過沖，防止IGBT擊穿。有源鉗位一般由3個鉗位瞬態(tài)抑制二極管和一個穩(wěn)壓管組成(當然，具體還需要根據(jù)使用的IGBT的規(guī)格來進行調(diào)整)。

以上便是以風電變流器中的某種IGBT保護電路來進行了敘述，基本沒有涉及到風電變流器的東西，所以也不必在意是不是風電變流器。主要是希望能夠分享下，IGBT在發(fā)生短路故障時的一些事，以及采取保護電路是通過怎樣一個考慮來實現(xiàn)保護的。