IGBT模塊三電平電路故障時(shí)的關(guān)管順序

在1字形二極管鉗位三電平電路中，當(dāng)發(fā)生短路故障或過流故障時(shí)，傳統(tǒng)的關(guān)斷IGBT的做法是，檢測到故障的驅(qū)動(dòng)器把故障信息傳遞給控制器，然后控制器先把外管關(guān)斷，再關(guān)斷內(nèi)管。

這樣的特定的關(guān)斷順序的原因是：

1. 如果錯(cuò)誤地先把內(nèi)管關(guān)斷，那么內(nèi)管IGBT就會(huì)承擔(dān)整個(gè)母線電壓，這樣內(nèi)管會(huì)嚴(yán)重過壓而馬上損壞;

2. 如果先關(guān)外管，外管的電壓會(huì)被鉗在半個(gè)母線電壓上，不會(huì)出現(xiàn)過壓，然后再關(guān)斷內(nèi)管，內(nèi)管就安全了。

三電平電路故障時(shí)的傳統(tǒng)關(guān)管順序的時(shí)序關(guān)系：

上圖是一種三電平拓?fù)涞膫鹘y(tǒng)故障管理的典型時(shí)序，當(dāng)短路響應(yīng)時(shí)間過了后，驅(qū)動(dòng)器才能向控制器確認(rèn)故障，而控制器確認(rèn)故障則需要2us的時(shí)間。也就是說，到控制器確認(rèn)故障時(shí)，短路已經(jīng)發(fā)生了10.5us了(8.5us短路響應(yīng)時(shí)間+2us確認(rèn)時(shí)間)。這個(gè)時(shí)間還是理論上的最短時(shí)間，沒有考慮控制器的計(jì)算時(shí)間及傳輸延時(shí)。所以，三電平中的短路時(shí)間，一般都會(huì)略高于10us。

利用有源鉗位功能提供的優(yōu)勢，忽略1字形三電平的關(guān)管順序。當(dāng)IGBT檢測到故障時(shí)，無論是內(nèi)管還是外管，馬上把對應(yīng)的IGBT關(guān)掉，然后再向控制器報(bào)告;如果檢測到故障的通道是內(nèi)管，會(huì)馬上給內(nèi)管IGBT發(fā)關(guān)斷指令，這樣會(huì)導(dǎo)致內(nèi)管IGBT過壓，但實(shí)際上內(nèi)管IGBT在這種情況下并不能被關(guān)斷，因?yàn)橛性淬Q位功能把內(nèi)管電壓鉗住，而不會(huì)出現(xiàn)過壓。為了驗(yàn)證我們的這一創(chuàng)新性的提法，我們做了一系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

三電平電路中有源鉗位功能的有效性的研究

以下測試將研究在錯(cuò)誤的關(guān)斷時(shí)序時(shí)，有源鉗位功能如何保護(hù)三電平電路中的IGBT模塊。

IGBT 某1字型三電平模塊;IGBT 某驅(qū)動(dòng)裝備有源鉗位功能;有源鉗位門檻(TVS擊穿的典型值)設(shè)為，479V(1mA,25℃);以支持870V的最大直流母線電壓Vdc(每個(gè)半直流母線電壓均設(shè)為相同值以便于測量)。

以下將考慮三種不同的情況：兩種短路情況和一種常規(guī)開關(guān)事件，每種情況都存在“不正確”的關(guān)斷時(shí)序。

實(shí)驗(yàn)一: 在MP與0點(diǎn)間建立短路路徑

(a) 所有IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，Vdc=870V;

(b) 開通S3;

(c) 開通S4，短路電流迅速升高，S3首先出現(xiàn)退飽和，Vce3上升到400V左右，Ic4穩(wěn)定在某一水平，隨后S4也出現(xiàn)退飽和現(xiàn)象;

(d) 首先主動(dòng)關(guān)斷S3，(按照傳統(tǒng)理論應(yīng)該先關(guān)S4)，S3被有源鉗位功能限制在線性區(qū)內(nèi)，且Vce3被鉗在480V左右;IC4(實(shí)際上也是IC3)以較慢的di/dt下降至0，該過程回路中的全部雜散電感中的能量被消耗在S3這個(gè)IGBT的線性區(qū)內(nèi);

(e) 短路電流為0，有源鉗位自然結(jié)束;

實(shí)驗(yàn)二: 在MP與P之間建立短路路徑

(a)所有IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，Vdc=550V

(b) 開通S3，開始出現(xiàn)短路電流，

(c) 開通S4，Vce4下降，D6出現(xiàn)反向恢復(fù)并截止，S4上出現(xiàn)短路電流，S3出現(xiàn)退飽和，IC4低于IL，意味著短路回路中有一部分電路被截?cái)嗔耍荒鼙籇1,D2續(xù)流，因而，Vce3產(chǎn)生電壓尖峰，沖高到630V后被有源鉗位鉗到500V左右

(d) S4仍然在飽和導(dǎo)通區(qū)，因IL大于IC4，意味著D1，D2在導(dǎo)通，有一部分IL被D1，D2續(xù)流

(e) Vce4開始上升，即S4開始退出飽和區(qū)，

(f) 控制器發(fā)出指令關(guān)斷S3，(故意這樣做，模擬故障狀態(tài))，可見所有物理量都沒有太大變化，這是因?yàn)橛性淬Q位電路一直有效，鉗住Vce3，可見錯(cuò)誤的關(guān)斷順序并沒有使S3過壓;

(g) 關(guān)斷S4，短路電流Ic4 被切斷， Vce4產(chǎn)生尖峰，但也被有源鉗位電路鉗住，當(dāng)Ic4為0，故障解除;

實(shí)驗(yàn)三: 錯(cuò)誤的換流順序

該實(shí)驗(yàn)?zāi)M正常工作中的錯(cuò)誤換流順序。

(a)所有IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，Lload=65uH，Vdc=870V

(b) 打開S3

(c) 打開S4，負(fù)載電流直線上升;

(d) 關(guān)斷S3，正確的換流順序應(yīng)該是先關(guān)斷S4，但此處故意模擬一個(gè)錯(cuò)誤，先關(guān)S3，如果沒有有源鉗位電路，負(fù)載電流會(huì)被D1，D2續(xù)流，S3會(huì)承擔(dān)整個(gè)母線電壓而損壞。

(e) 而此時(shí)Vce3出現(xiàn)電壓尖峰，大約到600V，然后被有源鉗位電路鉗到500V左右，負(fù)載電流仍然流過S3，S3實(shí)際上沒有被關(guān)斷，而是進(jìn)入了線性區(qū)，此時(shí)負(fù)載電感上仍有電壓，

因此IL會(huì)繼續(xù)增長，但斜率變小;

(f) 關(guān)斷S4，Ic4 被切斷，IL得以被D1，D2續(xù)流，故障狀態(tài)結(jié)束;

三電平電路中傳統(tǒng)的故障管理方法中的一個(gè)漏洞：

實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二這兩種短路故障中，我們發(fā)現(xiàn)，內(nèi)管IGBT都會(huì)參與，我們還發(fā)現(xiàn)，內(nèi)管與外管的退飽和的先后順序并不是很固定。從+1到-1短路的實(shí)驗(yàn)中，如果內(nèi)管先退飽和，則內(nèi)管Vce電壓會(huì)一直往上漲，且會(huì)把整個(gè)母線電壓拿去，而這樣會(huì)使內(nèi)管過壓而損壞，在這種情況下，傳統(tǒng)的關(guān)斷順序并不能解決這個(gè)問題，因?yàn)閮?nèi)管因?yàn)橥孙柡投^壓，這會(huì)發(fā)生在內(nèi)管報(bào)錯(cuò)之前。面對這種情況，有源鉗位是唯一的解決方案，實(shí)驗(yàn)二中，C階段中內(nèi)管先退飽和，Vce電壓被鉗住而不至于過壓，是因?yàn)檠b備了有源鉗位。如果沒有有源鉗位，C階段內(nèi)管就會(huì)因?yàn)橄韧孙柡投^壓損壞。

關(guān)于這一個(gè)問題，傳統(tǒng)的三電平電路故障管理方法是克服不了的。有源鉗位在三電平電路中是非常必要的配置。

總結(jié)：一種新的關(guān)于管理三電平故障狀態(tài)的方法，在驅(qū)動(dòng)器檢測到短路故障時(shí)，直接對該通道的IGBT進(jìn)行關(guān)斷，同時(shí)馬上報(bào)錯(cuò)，利用有源鉗位功能把IGBT的Vce電壓鉗住而不至于過壓，讓IGBT在線性區(qū)多內(nèi)保持幾微秒。同時(shí)，我們還提出有源鉗位在1字形三電平拓?fù)渲械氖欠浅１匾墓δ堋Ｔ谝恍┕收蠣顟B(tài)下，必須要有有源鉗位進(jìn)行防護(hù)。