IGBT驱动器提供可靠保护

为确保电力电子组件在非允许工作的条件影响下得到可靠的保护，需要快速和可靠的错误检测及有效的保护措施。在功率模块中，即可通过系统控制器或者通过IGBT驱动器提供错误管理。系统控制器适用于对慢速故障模式做出反应，如超温所导致的过热。相反，需要驱动电子检测和响应突发错误。如今市场上有各种驱动器，它们的适用性、效率和可靠性各不相同。

       功率转换系统中的快速错误包括短路和电路引起的过电压。短路是速度最快的错误。
    当电力电子系统投入使用时，连接和隔离错误往往是造成短路的因素，而在现场应用中，短路可能归因于故障组件。
    如果短路发生在负载通道或者桥接旁路，IGBT的集电极电流完全增大，造成晶体管饱和。如今市场上的IGBT模块只能防短路很短的时间。为了防止IGBT被热负荷摧毁，在安全时间内检测到短路并且可靠地关断IGBT是至关重要的。
    驱动器的电子电路可通过测量di/dt或者监测VCE检测短路。

图 1a) di/dt检测电路图

图 1b) VCE监测电路图

    di/dt检测中（图1a），驱动器通过电子线路去测量IGBT中电流的变化率。辅助和功率发射极间的杂散电感上的压降正比于集电极电流的变化率（di/dt）。通过将电压与参考电压相比较，可以检测出快速的短路。为了监测缓慢短路，该方法在键合线及功率和辅助发射极间的内部母线中使用阻性元件。然而，此方法还取决于用于电源连接的螺丝连接。这些显示了一定的接触电阻特性分布，并要考虑与其他电阻元件的串联。这要求精确地适应给定的系统。一般来说，di/dt检测只能用于带有辅助发射极输出的IGBT模块。
    Vcesat监测（图1b）则是通过集电极电流与通态电压的关系曲线实现的。为此，集电极-发射极电压被测量，并通过一个比较器与一个参考电压相比较。如果电压读数超过参考电压，驱动器的电子电路会自动关断晶体管。由于晶体管电压的迅速增加，Vce监测是一个可靠的短路检测方法。Vce监测的优点是可快速检测到短路，适用于任何标准的IGBT。
    如果短路时负载带有较大的电，如在电源侧，集电极电流上升速度更加缓慢。在这种情况下，Vce阈值必须做相应的调整。为了能够在过流检测中使用Vce方法，可使用多级Vce监测。此时，定义几个带给定参考时间的跳变阈值。但是，这种方法的缺点是温度不同会导致测量结果完全不一样，以及要调整给定系统各级所涉及的因素也是非常复杂的。一般来说，更为有效和可靠的检测慢速过电流方法是采用集成电流传感器。
    除了快速错误检测，对短路做出有效和可靠的响应也是至关重要的。如果驱动器用在多级应用中或者用于驱动同步电机，主控制器应负责系统的关闭。在这种情况下，驱动器只发送隔离错误信号到控制器并等待指令。例如，在多级应用中，如果驱动器直接关断功率半导体，然后发送信号给控制器，那么在整个信号传输和响应时间内整个直流环节电压可能施加在一个 IGBT上。这将导致模块的损坏。然而，在大部分应用中，让驱动器直接关断功率模块更加安全。驱动器可以更迅速地做出响应，因为它无需等待信号传输过程完成，可从二次侧独立关断模块。驱动器可确保关断短路电流时避免产生电压尖峰，通过一个软关断或二级关断功能的途径实现。此时，驱动器关断具有更大栅极电阻的IGBT更慢，这样做保护了模块，使其免超安全工作区（SOA）。
电路引起的过电压
    第二种快速错误模式是由电路引起的过电压导致的。必须检测关断过程中产生的过电压并将其迅速减小以防止IGBT模块被损坏。电源电路中的杂散电感导致开关浪涌，例如母线所导致的。外部引发的过电压是缓慢的，可通过监控直流环节电压更有效地控制。
    驱动器电子可以通过有源钳位直接控制过电压，也可以使用IntelliOff（智能关断），一种用于减小临界电压尖峰的功能。
    只要出现过电压，有源钳位让IGBT重新导通。栅极充电过程基本上是由集电极和栅极间的中央单元控制的，以降低过电压。

图2 有源钳位电路图

    这里，过电压值的最大值对应齐纳电压。晶体管再次工作在安全操作区内，但将储存在Lk中的能量转换为热量。在此过程中，IGBT内部在很短的时间内产生大量的额外损耗。这些损耗加速了组件的老化过程并限制了变换器系统的可靠性。
    防止发生过电压的一种方法是使用IntelliOff关断功能。结合对软关断几乎是即时开关响应的优点，IntelliOff提供了优化的关断能力。得益于不同速度的栅极放电，关断过程本身被IntelliOff优化。首先，驱动器启动IGBT关断过程越快越好。只要关断过程进入过压阶段，驱动器减慢关断过程，在这种情况下主动应对过电压。最后，IGBT驱动器安全可靠地关断模块。