基于两级di/dt检测IGBT模块短路策略

为了解决传统VCE在检测大功率绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块的短路故障时存在的问题，在分析了igbt短路特性的基础上，提出了一种基于两级电流变化率(di/dt)检测igbt两类短路故障的策略。该策略可以使驱动器更早地采取保护措施，限制igbt的短路电流和短路功耗，减小关断尖峰电压。基于3 300 V/1 200 A igbt模块的短路实验结果证明了该策略的有效性和可行性。

igbt是一种先进的功率开关器件，兼有GTR高电流密度、低饱和电压和高耐压的优点以及MOSFET高输入阻抗、高开关频率、单极型电压驱动和低驱动功率的优点[1]。近年来，igbt已经在汽车电子、机车牵引和新能源等各个领域获得广泛的应用。由于大功率igbt模块通常工作在高压大电流的条件下，在系统运行的过程中，igbt模块会出现短路损坏的问题，严重影响其应用。因此，igbt短路检测与保护是其中的一项关键技术。而大功率igbt模块的短路检测和保护方法，一般是使用VCE退饱和检测，再配合适当的软关断电路进行保护[2-3]。但使用VCE退饱和检测时，则需要较长时间(1~8 μs)的检测盲区和较高的集电极-发射极电压检测阈值。较长时间的检测盲区是为了防止igbt在正常开通时进行误检测，但当igbt发生一类短路时，集电极电流迅速上升，igbt一直工作在线性区，较长的短路检测盲区时间不仅不利于限制igbt的短路电流和功耗，而且可能导致igbt短路超过其10 μs的安全工作时间而损坏。

本文根据igbt的短路特性和大功率igbt模块的结构特点设计了一种新型大功率igbt模块的短路检测电路，采用两级di/dt检测igbt两类短路状态的实用方法。两级di/dt可在VCE的检测盲区时间内快速检测出一类短路故障和二类短路故障。本方案可有效减小igbt短路工作时间，限制igbt的短路电流和功耗，最佳保护igbt模块。

1、 igbt短路的定义

igbt短路时的数学表达式见式(1)，这个线性方程表示在短路发生时，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"。因此依据短路回路中的电感量，可将短路分为一类短路和二类短路。

一类短路是指igbt本身处于已经短路的负载回路中，短路回路中的电感量很小(100 nH级)，比如桥臂直通。igbt发生一类短路后的工作特性如图1(a)所示。当igbt导通时，直流母线的所有电压都集中在igbt上，集电极电流迅速上升，此时短路电流上升速率只由功率驱动电路决定，大功率igbt模块的一类短路电流上升率有数kA/μs。由于短路回路中寄生电感的存在，其表现为集电极-发射极电压VCE小幅下降后又上升并短暂地超过母线电压，之后稳定在直流母线电压。门极电压在电流上升到最大值时会超过驱动电压，之后稳定在驱动电压。

二类短路是指igbt在导通状态下发生短路，这类短路回路中的电感量是不确定的(μH级)，比如相间短路或相对地短路。igbt发生二类短路后的工作特性如图1(b)所示。igbt先工作在饱和区，在igbt模块电流不断上升的同时VCE也随着升高，只是上升幅度极小不易观察到。当igbt电流继续上升到一定值时，igbt开始进入退饱和区，VCE快速上升并短暂地超过母线电压，最终稳定在直流母线电压。与一类短路相比，igbt将受到更大的冲击。

导读： 为了解决传统VCE在检测大功率绝缘栅双极型晶体管(igbt)模块的短路故障时存在的问题，在分析了igbt短路特性的基础上，提出了一种基于两级电流变化率(di/dt)检测igbt两类短路故障的策略。该策略可以使驱动器更早地采取保护措施，限制igbt的短路电流和短路功耗，减小关断尖峰电压。

igbt发生短路时的电流是额定电流的8~10倍[4]。如果不能够快速地检测到短路故障，同时配合适当的软关断保护措施，igbt将会被损坏。

2、 两级di/dt检测短路原理

封装后的igbt模块内部有两个发射极，一个是辅助e极，另一个是功率E极，辅助e极和功率E极之间有一个小于10 nH的寄生电感LeE，这个很小的寄生电感LeE在大的电流变化率下可以产生感应电压VeE[5]：

VeE即可反映出集电极电流IC的变化率。图2所示为igbt短路检测原理图，设置了两个短路检测阈值Vref1=7 V和Vref2=6 V来区分短路状态(Vref1为第一级di/dt检测阈值、Vref2为第二级di/dt检测阈值且Vref1>Vref2)，在igbt开通信号到来时，Vref1和Vref2均小于采样电压Vsam。当采样电压Vsam小于短路检测阈值Vref2时，可判断模块发生一类短路；当采样电压Vsam仅小于短路检测阈值Vref1时，可判断模块发生二类短路。

当igbt发生