IGBT過流故障和短路故障的區別

在電力電子技術領域，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種被廣泛應用的半導體開關器件。它結合了金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的輸入阻抗高和雙極型晶體管（BJT）的載流能力強的優點。

然而，IGBT在其工作過程中可能會遇到多種故障，其中過流和短路是最常見且對系統穩定性威脅最大的兩種故障。本文將詳細分析IGBT過流與短路故障之間的區別，并通過比較、舉例以及數據支持來增強解釋的準確性和條理性。

首先，讓我們理解IGBT的基本工作原理。IGBT通過施加在門極上的電壓來控制其導通或關斷。當門極電壓高于閾值電壓時，IGBT導通并允許電流通過；當門極電壓低于閾值電壓時，IGBT關斷并阻止電流流動。在理想狀態下，IGBT能夠在完全導通和完全關斷之間快速切換，實現高效的電能轉換。

過流故障是指流過IGBT的電流超過了其設計的最大額定電流。這種情況可能是由于外部負載突然減小或電源電壓異常升高引起的。過流故障不會立即損壞IGBT，但如果不及時處理，持續的過流會導致器件過熱，進而縮短其壽命甚至造成損壞。

短路故障則是指IGBT的集電極和發射極之間發生直接的電氣連接，通常是由于外部電路故障或負載側出現短路造成的。短路故障會導致極大的電流瞬間流過IGBT，遠超過其最大額定電流，這種劇烈的電流峰值會立即損壞IGBT，甚至可能引發火災或其他安全事故。

過流一般是指由于某種原因引起的 負載過載 （例如電機堵轉），也有可能是由于軟件控制問題導致的電流發散、振蕩導致。而短路一般是指橋****臂直通 ，或母線電壓經過IGBT的無負載回路（ 相間短路或相對地短路 ）。

過流和短路的保護方法也有所不同，過流保護通常會采用輸出電流傳感器作為檢測元件，在 控制板上通過硬件或軟件方式實施保護 ，而短路保護只能通過硬件進行檢測，一般會集成到IGBT驅動電路上，通過檢測IGBT的退飽和行為來實施保護。

下面我們以工業電機驅動逆變器為例說明一下常見的短路故障，如圖1所示：

圖1 工業電機驅動短路故障

① 橋臂直通： 一個橋臂的兩個IGBT同時開通所導致，這種情況可能是因為遭受了 電磁干擾或控制器故障 ，也有可能是因為橋臂中的一個IGBT故障，而正常的IGBT保持開關動作。

② ** 相對相短路：** 可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件導致電機繞組之間發生絕緣擊穿所引起的，也有可能由于 傳輸電纜絕緣損壞 。

③ ** 相對地短路：** 同樣可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件導致電機繞組和電機外殼之間發生絕緣擊穿所致，也有可能由于傳輸電纜破損接地。

以上三種故障都可以稱為短路故障，但短路回路阻抗不同 。 如果逆變器輸出電纜較長且在電纜的末端發生短路，那短路阻抗相對很大，這種短路和過流可能沒有太大區別，也可以通過輸出電流傳感器進行短路保護。

需要說明的是 IGBT發生橋臂直通短路故障的幾率相對較小。 因此，在有些低成本應用中，IGBT驅動電路并沒有集成短路保護，只有過流保護。這時如果負載側發生短路，器件是否能夠被保住，主要取決于 短路回路阻抗的大小以及電流傳感器的響應速度 。