IGBT驅動電路過流保護的分類及其檢測方法

1．IGBT驅動電路過流保護的分類

IGBT的過流保護電路可分為兩類：一類是低倍數(1.2-1.5倍)的過載保護；另一類是高倍數（可達8-10倍）的短路保護。

(1)過載保護

原則上，IGBT在過流時的開關和通態特性與其在額定條件下運行時的特性相比并沒有什么不同。由于較大的負載電流會引起IGBT內較高的損耗，所以，為了避免超過最大的允許結溫，IGBT的過載范圍應該受到限制。不僅僅是過載時結溫的絕對值，而且連過載時的溫度變化范圍都是限制性因素。對于過載保護不必快速響應，可采用集中式保護，即檢測輸入端或直流環節的總電流，當此電流超過設定值后比較器翻轉，封鎖所有IGBT驅動器的輸入脈沖，使輸出電流降為零。這種過載電流保護一旦動作后，要通過復位才能恢復正常工作。

(2)短路保護

IGBT能承受短路電流的時間很短，能承受短路電流的時間與該IGBT的導通飽和壓降有關，隨著飽和導通壓降的增加而延長。如飽和壓降小于2V的IGBT允許承受的短路時間小于5us，而飽和壓降為3V的IGBT允許承受的短路時間可達15us，4-5V時可達30us以上。存在以上關系是由于隨著飽和導通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方增大，造成承受短路的時間迅速縮短。

原則上，IGBT都是安全短路器件。也就是說，它們在一定的外部條件下可以承受短路電流，然后被關斷，而器件不會產生損壞。在考察短路時，要區分以下兩種情況。

1）短路Ⅰ。短路Ⅰ是指IGBT開通于一個已經短路的負載回路中，也就是說在正常情況下的直流母線電壓全部降落在IGBT上。短路電流的上升速度由驅動參數(驅動電壓、柵極電阻)所決定。由于短路回路中寄生電感的存在，這一電流的變化將產生一個電壓降，其表現為集電極發射極電壓特性上的電壓陡降。穩態短路電流值由IGBT的輸出特性所決定。對于IGBT來說，典型值最高可達到額定電流的8-10倍。

2）短路Ⅱ。在此短路情形下，IGBT在短路發生前已經處于導通狀態。與短路Ⅰ情形相比較，IGBT所受的沖擊更大，一旦發生短路，集電極電流迅速上升，其上升速度由直流母線電壓Udc和短路回路中的電感所決定。在時間段1內，IGBT脫離飽和區。集電極-發射極電壓的快速變化將通過柵極集電極電容產生一個位移電流，該位移電流又引起柵極-發射極電壓升高，其結果是出現一個動態的短路峰值電流IC/SCM。在IGBT完全脫離飽和區后，短路電流趨于穩態值（時間段2）。在此期間，回路的寄生電感將感應出一個電壓，其表現為IGBT過電壓。

在短路電流穩定后（時間段3），短路電流被關斷。此時換流回路中的電感LK將在IGBT上再次感應一個過電壓（時間段4）。IGBT在短路過程中所感應的過電壓可能會是其正常運行的數倍。為保證IGBT安全運行，必須滿足下列重要的臨界條件。

1）短路必須被檢測出，并在不超過10us的時間內關閉IGBT。

2）兩次短路的時間間隔最少為1s。

3）在IGBT的總運行時間內，其短路次數不得大于1000次。

短路Ⅰ和短路Ⅱ均將在IGBT中引起損耗，從而使結溫上升。在這里，集電極-發射極電壓的正溫度系數有一個優點（對漏源電壓也同樣適用），它使得穩態短路期間的集電極電流得以減小。 2．IGBT驅動電路過流保護檢測電路 (1)用電阻或電流互感器構成的檢測過流電路 用電阻或電流互感器構成的檢測過流電路如下圖(a)和(b)所示，可以用電阻或電流互感器初級與IGBT串聯，檢測IGBT集電極的電流。當有過流情況發生時，控制單元斷開IGBT的輸人，達到保護IGBT的目的。

(2)檢測IGBT的UCE(sat)電壓的過流檢測電

檢測IGBT的UCE(sat)電壓的過流檢測電路如圖 (c)所示，因UCE(sat)=ICRCE(sat)，當Ic增大時，UCE(sat)也隨之增大。若柵極電壓為高電平，而UCE較高，則此時就有過流情況發生，與門輸出高電平，將過流信號輸出，控制單元斷開IGBT的輸入，達到保護IGBT的目的。

(3)檢測負載電流的電

檢測負載電流的IGBT驅動電路與圖(a)中的檢測方法基本相同，但圖(a)屬直接法，檢測負載電流屬間接法，如圖(d)所示。當負載短路或負載電流加大時，也可能使前級的IGBT的集電極電流增大，導致IGBT損壞。由負載處（或IGBT的后一級電路）檢測到異常后，控制單元切斷IGBT的輸入，達到保護IGBT的目的。

由IGBT構成的逆變器中的故障電流可以在電路的不同節點檢測，對被檢測到的故障電流的反應現象也各不相同。故障電流若是在IGBT功率模塊內部被檢測到，并由IGBT功率模塊內的驅動器直接關斷，IGBT的總響應時間可能只有數十納秒。若故障電流檢測在IGBT功率模塊之外進行，則故障電流信號首先被送至逆變器的控制電路，并從控制單元發出觸發故障反應程序，這一過程被稱作慢保護。此過程甚至還可以由逆變器的控制調節系統來處理（例如系統對過載的反應），使IGBT的總響應時間延長。

下圖給出了一個電壓型逆變器可能檢測到故障電流的測試點示意圖。故障電流的檢測可以作如下劃分：

過電流可在①～⑦點檢測；橋臂直通短路可在①～④和⑥、⑦點檢測；負載短路可在①～⑦點檢測；對地短路可在①、③、⑤、⑥點檢測，或通過計算①與②點電流之差而得到。原則上，IGBT短路保護要求具有快速性，以在驅動電路的輸出端實現直接控制，原因是在短路發生后IGBT功率模塊必須在10us之內關閉。為此，故障電流可以在檢測點③、④、⑥和⑦處檢測。

在①～⑤點測量故障電流可以通過測量分流器或測量用電流互感器來實現。采用測量用分流器檢測過電流的檢測方法簡單，要求用低電阻（10~100mΩ）、低電感的功率分流器，測量信號對干擾高度靈敏，測量信號不帶電位隔離。采用電流互感器檢測過電流遠比分流器復雜，但與分流器相比較，測量信號不易受干擾，測量值已被隔離。

在測試點⑥和⑦檢測故障電流可以直接在IGBT的端子處進行。在這里，保護方法可以是檢測（間接測量）UCE(sat)，或者是鏡像電流檢測。鏡像電流檢測采用由一個傳感器檢測一小部分IGBT單元電流的辦法來反映主電流（直接測量）。鏡像電流檢測的原理電路圖如圖(a)所示。

在一個鏡像IGBT中，一小部分的IGBT單元和一個用于檢測的發射極電阻相結合，并聯接于主IGBT的電流臂上。一旦導通的集電極電流通過測量電阻，便可以獲得其電流檢測值。在Rsense=0時，兩個發射極之間的電流比等于理想值，為鏡像IGBT單元數與總單元數之比。如果Rsense增大，則測量電路中導通的電流將因測量信號的反饋而減小。

因此，電阻Rsense應被控制在1~5Ω的范圍內，以便獲得足夠精確的集電極電流測量結果。如果用于關斷的電流門限值只是略大于IGBT功率模塊的額定電流，那么在IGBT開通期間，由于反向續流二極管反向恢復電流峰值的作用，電流檢測必須關閉（在硬開關電路）中。檢測電阻Rsense趨于無限大時，則其測量電壓等于集電極發射極飽和電壓。因此，鏡像電流檢測轉化為UCE(sat)檢測。

審核編輯：劉清