發布日期：2022-07-24 點擊率：145
【導讀】短路故障是IGBT裝置中常見的故障之一，本文針對高壓大容量IGBT的短路故障，分析了IGBT的短路特性，基于已有的IGBT驅動器和有源電壓箝位技術，設計了一種閉環控制IGBT關斷過電壓的驅動電路。通過實驗證明，這種電路可以提高IGBT短路保護的可靠性。
IGBT被廣泛用于各類pwm變流器，如ups、變頻器、有源電力濾波器等。隨著IGBT制造工藝的發展，如今，IGBT的額定電流和電壓已分別提升到3600a和6500v，由大功率IGBT構成的現代化兆瓦級變流器，廣泛出現在各類工業應用當中，尤其是近年來，隨著新能源發電技術的發展，中大功率IGBT得到了更為廣泛的應用。隨著變流器容量的提升，變流器在整個系統的成本以及可靠性中所占的比重日益增大，因此，兆瓦級變流器的可靠性成為廣泛關注的問題。
短路時IGBT失效的原因
短路故障是電力電子裝置中常見的故障之一。電機繞組絕緣擊穿、電機電纜絕緣擊穿、誤操作、驅動指令錯誤、不足的死區時間，都會造成短路故障的發生。
通常，IGBT短路故障致使IGBT損壞的原因主要有以下三種。總的來說，這三種原因都可以歸結為器件中硅材料或焊接導線的熱效應所引起。
（1）超出硅材料的熱極限
短路過程中，IGBT承受整個vdc電壓，同時ic為正常電流的若干倍。IGBT將承受遠大于正常運行狀態下的損耗，從而使得IGBT的結溫迅速升高。如果結溫超過了允許的最高結溫，IGBT將因熱積累作用失去阻斷能力。vce將迅速降低，隨后整個器件完全損壞。通常，IGBT生產廠家都會保證在特定情況下10μs的短路耐受時間。
（2）IGBT擎住效應
在IGBT中存在一個寄生的npn三極管，正常運行情況下，這個npn三極管被擴散電阻旁路，不會開通。然而，在ic很大的情況下，例如短路發生時，這個npn三極管將開通，這樣IGBT門極將失去對IGBT的控制力。最終，IGBT將因為過大的電流使芯片和焊接導線上產生過大的損耗而損壞。
（3）vce過電壓
在保護電路控制IGBT主動關斷由于短路引起的大電流時，由于分布電感的存在會產生vce過電壓，vce超過了特定的限制。IGBT將因雪崩擊穿而損壞；與短路電流相等的ic將集中于一塊很窄的硅上從而產生一個高溫的熱點，因此，IGBT失去它的阻斷能力，并在幾十ns內失去電壓。為了防止由于這類原因造成IGBT失效，除了主回路的分布電感應盡可能地小，還需要一種帶有vce控制的門極驅動器。
短路故障的關斷過電壓
通常情況下，IGBT短路故障被分為兩類，開通短路（hsf）和通態短路（ful）。
開通短路是指負載短路發生在IGBT開通過程中，如圖1a）所示。IGBT在t1時刻開始開通，ic迅速升高！dic/dt由門極驅動電路的特性和 IGBT的跨導決定。vce先下降，很短時間后重新開始上升，穩態時，vce略低于IGBT斷態電壓——直流側電壓vdc。
圖1：兩種IGBT短路故障特性
通態短路是指在IGBT已經開通進入穩定導通狀態之后，負載發生短路，如圖1b）所示。短路發生后，ic上升，dic/dt由短路阻抗和直流側電壓vdc決定。當ic升高至由門極電壓vge和IGBT跨導所決定的穩態最大電流后，IGBT將退出飽和區，vce開始升高。vce的升高將通過米勒電容cgc耦合一個電流對IGBT門極進行充電，從而使得vge升高。vge的升高將使得ic繼續增大，從而使得ic表現出很大的過沖，這將導致IGBT擎住現象發生甚至毀壞。
仔細觀察圖1中vce曲線，可以發現，在短路過程中，vce出現兩次過沖。第一次過沖是因為IGBT自身的限流作用，第二次是因為人為的IGBT關斷指令。通常，第二次電壓過沖是很高的，如果沒有進行妥善的處理，可能造成IGBT因為vce過電壓而損壞。本文主要針對解決此問題，從門極驅動器的角度，展示了一種解決方法，保護IGBT免于由于此類故障損壞。
圖2：換流回路的等效電路
IGBT關斷過電壓是存儲在主回路分布電感中的能量重新分配的結果，無論何時，只要流經IGBT、母排、直流側電容的電流發生換向，關斷過電壓都將出現。在如圖2所示的等效電路圖中，可得vce如下：
其中，lq包括了母排中的電感，直流側電容中的等效串聯電感以及IGBT封裝中的電感。vdfy表示反并聯二極管的正向恢復電壓，通常為10到50v。
為了保證vce在IGBT的額定范圍以內換流電流變化率必須滿足下式。
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