IGBT驱动关键技术研究

4 IGBT过流及短路保护

(1)IGBT过电流保护

变流器在一般工作时，过流是一种较为常见的状态。在过流时，承担功率变换的IGBT由于工作电流增大会直接影响其可靠性。在高频变流器中，IGBT一般工作在开、关状态，充当高频的开关器件，因此处在开、关状态的IGBT一般有两种状态：关断(或称为截止)和导通(即饱和导通)。处在导通状态的IGBT的饱和压降很小，因此，IGBT本身的导通损耗就会很小。但是，当IGBT发生过流时，如果没能及时处理，IGBT的电流持续上升，一般的IGBT的工作电流大概为额定电流的3到4倍时，会发生退饱和的现象，即IGBT会退出饱和导通区，进入放大即线性区。在线性区内，IGBT的VCE电压较高，而且工作电流又很大，IGBT的瞬时功率将会较大。对IGBT来说，超过其安全工作区，有过功率损坏的风险。

为此，在变流器发生过流时，为保证IGBT的安全，需要及时关断。然而，IGBT在过流时关断过快，也就意味着电流变化率较大，这样，按照IGBT电压应力抑制的分析，其关断时会有较大的电压尖峰，对IGBT造成威胁，因此，在关断IGBT时可采用有源钳位或者软关断的方法抑制电压应力。综合以上分析，在IGBT发生过流时，必须将其安全可靠地关断。

(2)IGBT短路保护

变流器在工作时由于负载侧故障而引起短路，输出电流会急剧上升，导致IGBT的工作电流也会对应急剧上升。一般地，对IGBT而言，短路分为两种情况：第一，变流器的桥臂内发生直通，回流路径很小，其等效负载也非常小，近似为零，一般称为一类短路。第二，变流器短路点发生在负载侧，等效短路阻抗较大，称为二类短路。二类短路一般也可认为是变流器较严重的过流发生。在短路发生时刻，如果不采取相关措施，就会导致IGBT快速进入退饱和，如IGBT过流保护分析，其瞬态功耗超过限值而损坏。因此，当短路发生时，要尽快关断IGBT，而且关断的速度要平缓，保证电流变化速率在一定范围，避免关断过快而引起电压应力超过限值而损坏IGBT。

当一类短路发生时，流过IGBT的工作电流上升非常快，在很短时间内达到退饱和电流。如果在此刻将IGBT关断，电压尖峰将非常大，很有可能超过限值。为此，在一类短路发生时，将IGBT缓慢、可靠关断非常重要。为了使得驱动电路在尽可能短的时间内响应电流变化，在有源钳位的方案中增加快速响应措施，使得IGBT驱动能够尽快动作。具体措施如图5所示，在TVS管上并联陶瓷电容，该电容高频特性较好，能够响应高频的电流变化，当IGBT的集电极电压发生快速变化时，该电容可以通过电流信号将变化及时地反馈给IGBT栅极，这样，栅极由于此电流的注入而从即将关断的状态进入再次开通的状态，对IGBT本身来说，其电流的变化率就不至过快，确保其较小的关断电压尖峰。IZC可通过以下公式计算得到。对于一类的桥臂直通的短路和二类的较大负载的短路，除采用高级有源钳位的方法外，也可采用软关断的方法处理，二者的区别在于，软关断的瞬时功耗较大，对变流器本身来讲，如果长时间的处于短路状态，效率会有所降低，与此同时，IGBT会有热应力的风险。



(2)5 试验结果

针对1200V/2500A的IGBT，进行双脉冲试验，对设计的IGBT驱动电路基本的驱动能力、栅极保护、电压应力抑制的有源钳位、软关断等功能及性能表现进行实验验证。



试验平台按照图6所示搭建，IGBT模块为半桥结构，其中上管C、E间连接电感L来模拟负载，同时保证上管在试验中处在关断的状态。给下管G、E间输入图中所示的驱动信号，即设置两次开通，且开通与关断的时间T1、T2、T3可控。通过该双脉冲试验，可以有效验证驱动电路在变流器换流时的功能与性能。图7与图8为实验测试波形，两图中通道1均为下管门极与发射极电压VGE;通道2均为下管集电极与发射极电压VCE;通道3均为集电极电流IC。图7中可以看到当达到VCE门限值时，VGE电压上升，延缓了IGBT的关断速度;如图8所示，当检测到较大VCE电压尖峰时，VGE电压缓慢降低，IGBT缓慢关断，从而抑制了电压应力。



6 结论

对于中、大功率变流器的核心开关器件IGBT，其驱动电路不仅仅要保证正常的驱动能力，还要有相关的保护措施，从而在极端工况下保证IGBT的安全、可靠。

本文从IGBT驱动的基本参数设计、栅极保护、电压应力抑制及过流与短路等方面入手，提出了有效的解决方案，并通过相关理论及具体的电路解决措施，验证方案的科学性与可行性。

参考文献：

[1]柳舟洲,同向前.大功率IGBT短路保护机理的分析[J].电气传动,2015(03).

[2]姚文海,程善美,孙得金.大功率IGBT模块软关断短路保护策略[J].电气传动,2014(09).

[3]尹培培,洪峰,王成华,曹沐昀.无源无损软开关双降压式全桥逆变器[J].电工技术学报,2014(06).

[4]唐勇,汪波,陈明,刘宾礼.高温下的IGBT可靠性与在线评估[J].电工技术学报,2014(06).

[5]张云,徐衍亮,李豹.基于动态电源的MOSFET驱动优化[J].电工技术学报,2013(12).

[6]张云徐,衍亮,李豹.基于动态电源的丽MOSFET驱动优化[J].电工技术学报,2013,28(12):269-275.

[7]宁大龙,同向前,胡勋.IGBT器件的门极驱动模型及应用[J].电力电子技术,2012(12).

[8]雷明,程善美,于孟春,姚文海.基于变门极电阻的IGBT软关断实现[J].电力电子技术,2012(12).

[9]欧阳柳,李华,杨光,杨涛.风力发电变流器的IGBT关断过电压抑制研究[J],大功率变流技术.2012(02).

[10]陈永真.IGBT短路保护的控制策略分析[J].电气传动,2010(08).