如何防止IGBT在电路中短路？
短路故障是IGBT装置中常见的故障之一，本文针对高压大容量IGBT的短路故障，分析了IGBT的短路特性，基于已有的IGBT驱动器和有源电压箝位技术，设计了一种闭环控制IGBT关断过电压的驱动电路。通过实验证明，这种电路可以提高IGBT短路保护的可靠性。
IGBT被广泛用于各类pwm变流器，如ups、变频器、有源电力滤波器等。随着IGBT制造工艺的发展，如今，IGBT的额定电流和电压已分别提升到3600a和6500v，由大功率IGBT构成的现代化兆瓦级变流器，广泛出现在各类工业应用当中，尤其是近年来，随着新能源发电技术的发展，中大功率IGBT得到了更为广泛的应用。随着变流器容量的提升，变流器在整个系统的成本以及可靠性中所占的比重日益增大，因此，兆瓦级变流器的可靠性成为广泛关注的问题。
短路时IGBT失效的原因
短路故障是电力电子装置中常见的故障之一。电机绕组绝缘击穿、电机电缆绝缘击穿、误操作、驱动指令错误、不足的死区时间，都会造成短路故障的发生。
通常，IGBT短路故障致使IGBT损坏的原因主要有以下三种。总的来说，这三种原因都可以归结为器件中硅材料或焊接导线的热效应所引起。
（1）超出硅材料的热极限
短路过程中，IGBT承受整个vdc电压，同时ic为正常电流的若干倍。IGBT将承受远大于正常运行状态下的损耗，从而使得IGBT的结温迅速升高。如果结温超过了允许的最高结温，IGBT将因热积累作用失去阻断能力。vce将迅速降低，随后整个器件完全损坏。通常，IGBT生产厂家都会保证在特定情况下10μs的短路耐受时间。
（2）IGBT擎住效应
在IGBT中存在一个寄生的npn三极管，正常运行情况下，这个npn三极管被扩散电阻旁路，不会开通。然而，在ic很大的情况下，例如短路发生时，这个npn三极管将开通，这样IGBT门极将失去对IGBT的控制力。最终，IGBT将因为过大的电流使芯片和焊接导线上产生过大的损耗而损坏。
（3）vce过电压
在保护电路控制IGBT主动关断由于短路引起的大电流时，由于分布电感的存在会产生vce过电压，vce超过了特定的限制。IGBT将因雪崩击穿而损坏；与短路电流相等的ic将集中于一块很窄的硅上从而产生一个高温的热点，因此，IGBT失去它的阻断能力，并在几十ns内失去电压。为了防止由于这类原因造成IGBT失效，除了主回路的分布电感应尽可能地小，还需要一种带有vce控制的门极驱动器。
短路故障的关断过电压
通常情况下，IGBT短路故障被分为两类，开通短路（hsf）和通态短路（ful）。
开通短路是指负载短路发生在IGBT开通过程中，如图1a）所示。IGBT在t1时刻开始开通，ic迅速升高！dic/dt由门极驱动电路的特性和 IGBT的跨导决定。vce先下降，很短时间后重新开始上升，稳态时，vce略低于IGBT断态电压——直流侧电压vdc。
通态短路是指在IGBT已经开通进入稳定导通状态之后，负载发生短路，如图1b）所示。短路发生后，ic上升，dic/dt由短路阻抗和直流侧电压vdc决定。当ic升高至由门极电压vge和IGBT跨导所决定的稳态最大电流后，IGBT将退出饱和区，vce开始升高。vce的升高将通过米勒电容cgc耦合一个电流对IGBT门极进行充电，从而使得vge升高。vge的升高将使得ic继续增大，从而使得ic表现出很大的过冲，这将导致IGBT擎住现象发生甚至毁坏。
仔细观察图1中vce曲线，可以发现，在短路过程中，vce出现两次过冲。第一次过冲是因为IGBT自身的限流作用，第二次是因为人为的IGBT关断指令。通常，第二次电压过冲是很高的，如果没有进行妥善的处理，可能造成IGBT因为vce过电压而损坏。本文主要针对解决此问题，从门极驱动器的角度，展示了一种解决方法，保护IGBT免于由于此类故障损坏。
IGBT关断过电压是存储在主回路分布电感中的能量重新分配的结果，无论何时，只要流经IGBT、母排、直流侧电容的电流发生换向，关断过电压都将出现。在如图2所示的等效电路图中，可得vce如下：
其中，lq包括了母排中的电感，直流侧电容中的等效串联电感以及IGBT封装中的电感。vdfy表示反并联二极管的正向恢复电压，通常为10到50v。
为了保证vce在IGBT的额定范围以内换流电流变化率必须满足下式。
短路时关断过电压的抑制方法
传统保护方法
传统IGBT驱动器 的控制框图如图3所示。正常运行时，IGBT经rg_on开通，经rg_off关断。当短路或过流故障发生时，为了限制关断过电压，IGBT经阻值较大的电阻rg_fault关断。这将使vge缓慢下降，从而消除显著的关断过电压。然而，这是一种开环的控制方法，无法完全保证IGBT在任何情况下都能够安 全的关断。同时，任何短路检测方法都需要一定的检测时间，如果IGBT关断信号在短路故障检测出之前使能，IGBT将经rg_off关断，这样一来，IGBT损坏将不可避免。
对于传统驱动器中存在的问题，本文中使用一种被称为“有源电压箝位技术”的方法，设计了一种闭环的保护驱动电路，如图4所示。
图4中z为瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管为一种瞬态冲击电压保护器件，反应时间可以达到ns级。相比压敏电阻，其反应速度快，然而瞬态容量和稳态容量都远小于压敏电阻。
在检测到短路故障之后，IGBT经rg_fault关断，当vce升高至瞬态抑制二极管的击穿电压时，电流通过瞬态抑制二极管向IGBT门极充电，提升IGBT的门极电压vge，随着vce的继续升高，流过瞬态抑制二极管的电流将增大，从而动态的改变dic/dt，实现了关于vce的闭环保护。
实验结果
实验的等效电路图如图2所示。验证性实验使用一只Infineon公司的半桥IGBT模块ff450r17me3作为功率开关，9只低感薄膜电容——每只225μf/1200v——组成直流侧电容，功率开关与直流侧电容通过基于印刷电路板的叠形母排连接，以保证较低的主回路分布电感。ff450r17me3为采用Infineon公司第三代IGBT芯片技术，具有更低的导通压降，更快的开关速度，同时，采用了新的econodual封 装模式，保证了IGBT封装内部更低的分布电感。
驱动板采用infineon的1700v IGBT驱动器2ed300c17作为核心器件，提供良好的隔离和两路隔离的正负30a的峰值驱动电流能力，以及过流保护、欠压保护等。通过实时检测导通时的vce电压，能够快速判定短路故障，及时控制门极电平，实现IGBT的软关断。其故障状态下的软关断功能和有源电压箝位功能共同作用，有效地抑制了在故障状态下关断IGBT时产生的高di/dt，降低了IGBT两端的关断过电压，保证在最严重的的短路下实现安全有效的保护。
在vdc=1200v下进行了短路试验，试验波形如图6所示。可见，在关断开通短路电流和通态短路电流时，vcemax被可靠地箝位在1350v，小于vces（1700v），使IGBT工作于安全工作区间内，有效地保护了IGBT，所采用的有源电压箝位技术达到了预期的效果。
igbt模块化的设计与分析：
1. 引言
近年来，IGBT功率器件在电机控制、开关电源和变流设备等领城的应用已经非常广泛。IGBT的驱动包括专门的驱动电路，以及过流保护电路等，本文设计参考了三菱、西门康等公司生产的IGBT驱动模块，加入了接口选择模块、功能选择模块、电源模块、功率补充模块等，实现了整个驱动电路的模块化设计。单个模块可以驱动一个桥臂的上下两个IGBT。可以通过方波控制或者SPWM控制等控制方式，驱动单相或者三相逆変器。
2. IGBT驱动模块设计
图1所示为本文设计的IGBT驱动模块的构成图，主要由五部分电路模块组成。接口选择模块可实现光纤和电信号的切换功能选择模块可实现两种驱动模式一独立驱动和互补驱动的切换；电源模块的作用是给整个模块提供所需的电压驱动与保护模块的作用是放大驱动信号和检测过流保护功率补充模块可用于驱动不同等级的IGBT功率器件。
2.1 接口选择模块
接口选择模块的设计是为了使驱动和控制信号可以通过电信号或者光纤传输，并且增强信号传输过程的抗扰性。图2是采用光纤接口的电路设计。DSP发出的驱动信号Signal_in为高时，驱动板接收的IN_X信号为低，反之，驱动板接收的信号为高。设置DSP主控板发射的信号为低电平有效，可以防止干扰，例如若发射端5V信号丢失，接受端就无法接受有效信号，从而避免了误操作，比采用高有效具有更好的可靠性。本文采用的光纤型号为Agilent Technologies公司的HFBR-1521。
2.2 功能选择模块
图3为该部分电路示意图，通过MOD开关在5V和GND的切换，实现MOD信号的高低电平切换，再经过逻辑电路的处理，实现独立驱动和互补驱动两种驱动模式的切换。
如表1所述，独立驱动方式下，MOD开关接GND，IN_A、IN_B两输入信号各自独立，经过设定的逻辑处理输出。若在此驱动方式下驱动一个桥臂的上下管，需要输入的控制信号互补并保证一定的死区时间，对控制的要求比较高，所以此驱动方式一般用于驱动单管。
互补驱动方式下，MOD开关接5V，IN_A为驱动脉冲信号，IN_B作为使能信号，使能有效时，两路输出高低电平互补的带死区的驱动信号，可以保证上下管的轮流导通，死区产生电路如图4所示，通过设定R、C的值，经过施密特触发器实现延迟触发，从而实现死区的设定。
2.3 电源模块
图5所示的电源模块部分电路拓扑采用一个反激变换器，将直流24V供电电压变换成+15V和-10V的直流电压，给驱动与保护模块供电。该电源模块隔离电压为3000VDC。
2.4 驱动与保护模块与功率补充模块
该部分电路结构如图6所示。功能选择模块输出的控制信号经光耦隔离，驱动呈推挽结构的三极管输出+15V或-10V的电压，通过驱动电阻Rg对IGBT的栅极进行驱动。采用负电压关断IGBT器件，能够保证IGBT快速有效的关断，可靠性高。
利用DSAT检测方法对IGBT集电极电压VCE的检测，判断是否发生了过流保护，进而产生保护信号，封锁脉冲。IGBT导通时，过流检测电路的输入电压信号V与dtect其内部的参考电压信号Vth进行比较，如果Vdtect》Vth，则认为产生了过流保护。Vdtect计算公式见式（1）。其中VCE是IGBT的导通饱和压降，VRm是电阻Rm上的电压，Rm越大VRm，VDm是二极管Dm的导通饱和压降。调节电阻Rm可改变VRm的值，从而改变保护电流阈值的大小。
功率补充模块采用三极管推挽结构，作用是加强驱动电路的驱动能力，增大驱动输出电流，以驱动大功率的IGBT器件。
3. 试验及结果
图7为互补驱动方式下，使能信号有效时功能选择模块输出的两路驱动信号的波形，如2、3通道所示。可以看出两路信号呈互补状态，分别驱动一个桥臂的上下两管轮流导通。1通道为A路栅极驱动信号。
图8为功能选择模块输出信号经驱动与保护模块与功率补充模块输出到一个桥臂上下两IGBT栅极的驱动脉冲的电压波形。导通信号为+15V，关断信号为-10V。两列触发脉冲互补，驱动上下管轮流导通。
图9为一个桥臂上下两个IGBT的栅极驱动脉冲信号间的死区时间的波形，图4中的R取1kΩ，C取2.2μf时，死区时间如图9所示约为2μs。调整R、C的值，可以调整电容C的充放电时间，从而调整死区时间的大小。
图10为应用三块该驱动模块驱动三相逆变器的输出波形，1通道为线电压波形，为380V；2通道为相电流波形，为80A。该逆变器采用方波控制和星型电感负载，总输出功率超过50kVA。
4. 结束语
本文从模块化的角度设计了IGBT驱动电路，该电路将各项功能都进行了模块化设计，包括接口选择模块、功能选择模块、电源模块、驱动与保护模块以及功率补充模块。经试验证明，该驱动模块具有良好的驱动能力和保护能力。