IGBT短路时的工作状态、短路保护电路的原理

引言

每次谈到IGBT都要把它的优点先说一遍，就当我唠叨了。IGBT结合了电力场效应管和电力晶体管导通、关断机制的优点，相比于其他大功率开关器件，IGBT的驱动功率小、开关速度快、没有二次击穿效应且易于并联。大功率IGBT应用于各工业领域和新能源发电系统，随着变流器容量和电压等级的提高，变流器的可靠性成为不可忽视的关键问题，而作为其核心的IGBT的可靠性当然是重中之中。短路保护便是IGBT可靠性考量中的一个因素。在IGBT短路保护实验中，由于IGBT特性和内部寄生电感的影响，IGBT关断过程中，电流的变化率(di/dt)非常大，应采取措施来限制短路电流的上升率，延缓IGBT的关断时间。

今天我们以风电变流器为例，来聊一聊IGBT短路时的工作状态、短路保护电路的原理。

IGBT短路情况时工作状态

当IGBT发生短路时，应充分考虑其当时的工作状态。如果当时情况下IGBT仍处于导通状态，由于直流回路中的电感小，此时的短路电流会非常大，这是电力电子应用中不允许发生的，所以，要通过放大区来限制IGBT在短路状态下的电流。

短路电路中的电感量决定了IGBT的短路电流和功耗。如果电感量小，那么关断过程中的电流变化率di/dt就会非常大，IGBT迅速进入退饱和阶段，同时结温上升；如果电感量大，那么关断过程中，短路电流不断上升，但是IGBT端电压、功耗和结温上升的却不是很大。同时，较大的电感量会导致非常大的关断电压尖峰，这个电压尖峰必须控制在IGBT的阻断电压之下，否则会导致IGBT失效。

IGBT在短路时，快速退饱和引起的电压变化率dv/dt会促使IGBT的门极电压增加，并导致较大的短路电流，从而导致功耗的增加，甚至损坏IGBT，同时，IGBT的短路情况下的集射极电压uce将快速上升。

短路保护的原理

1SCSOA和短路维持时间

IGBT短路保护的目的是，在IGBT发生短路，在IGBT损坏前及时地将IGBT关断，并将短路电流和保护关断时的I-U运行轨迹限制在IGBT的短路安全工作区域(SCSOA)。短路时间的增加会使得SCSOA减小，同时SCSOA还与外电路布线电感和厂家的工艺结构有关。由于杂散电感的存在，短路大电流时，IGBT的I-U运行轨迹很容易超出SCSOA的范围，从而导致IGBT失效。

退饱和检测技术普遍地用来监测IGBT短路情况。采用退饱和保护驱动时，IGBT的短路维持时间为tw=10us。此期间，IGBT保护电路应快速、准确地检测到短路故障，并在允许时间内关断IGBT，来达到保护IGBT的目的。

2短路电流

IGBT短路时，uce缓慢上升至母线电压，较大的跨导gfs增加了Isc(线性区时，有这样一个公式：Ic=(Vge-Vth)*gsf)，并且有明显的过冲，短路维持时间越长，IGBT的开关和传导损耗就越大。此时，门极驱动必须快速关断具有较低短路维持时间的IGBT器件。唯一的办法就是降低Vge，使其低于阈值电压。在有源钳位的作用下，uce快速达到钳位电压，抑制故障时的Isc。过大的Isc可能会引起IGBT器件发生锁定效应或过电压击穿，Isc超过IGBT内部寄生晶闸管结构的擎住电流时就会发生锁定效应，此时IGBT会失去门极的关断能力。故限制Isc的幅值可以有效地防止锁定效应。同时较大的di/dt在电路杂散电感的作用下会产生很高的过电压，可能会导致IGBT的击穿，缓慢降低Vge可以避免此情况。

3短路保护电路分析

基本框架图如下所示

在该电路中，通过检测uce来监视IGBT的短路和过电流。原理是，当流过IGBT的电流过大时，通态压降会急剧上升。当发生短路时，通过uce监视使能逻辑来进行保护。IGBT导通时检测uce，如果期间内uce超过了预先设定的值，就会产生一个故障信号，通过内部软件

来平滑地关断IGBT。电路地电压设定值和延迟时间可以通过外部的RC回路中的电阻和电容来设定。

发生短路时，IGBT集电极退饱和，图中的a点电位升高。当uce超过设定的门槛电压时，故障检测点视为低电平，输出故障信号，并经过触发逻辑电路的判断后，闭锁触发脉冲，使得输出到门极驱动放大电路中的驱动信号也变为低电平。在软关断电阻的作用下，IGBT的Vge缓慢下降，抑制电压过冲。

正常情况下，电压门槛值为高阻抗，在uce监视使能逻辑下比较器的输出为高电平。

短路保护电路中，还包含有源钳位的功能，即当发生短路时，uce快速增大，并产生一个非常大的过压，但在钳位二极管的作用下，使其稳定在钳位二级管的电压，抑制了uce的过冲，防止IGBT击穿。有源钳位一般由3个钳位瞬态抑制二极管和一个稳压管组成(当然，具体还需要根据使用的IGBT的规格来进行调整)。

以上便是以风电变流器中的某种IGBT保护电路来进行了叙述，基本没有涉及到风电变流器的东西，所以也不必在意是不是风电变流器。主要是希望能够分享下，IGBT在发生短路故障时的一些事，以及采取保护电路是通过怎样一个考虑来实现保护的。