【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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短路時關斷過電壓的抑制方法
傳統保護方法
傳統IGBT驅動器 的控制框圖如圖3所示。正常運行時，IGBT經rg_on開通，經rg_off關斷。當短路或過流故障發生時，為了限制關斷過電壓，IGBT經阻值較大的電阻rg_fault關斷。這將使vge緩慢下降，從而消除顯著的關斷過電壓。然而，這是一種開環的控制方法，無法完全保證IGBT在任何情況下都能夠安 全的關斷。同時，任何短路檢測方法都需要一定的檢測時間，如果IGBT關斷信號在短路故障檢測出之前使能，IGBT將經rg_off關斷，這樣一來，IGBT損壞將不可避免。
圖3：傳統的驅動電路
對于傳統驅動器中存在的問題，本文中使用一種被稱為“有源電壓箝位技術”的方法，設計了一種閉環的保護驅動電路，如圖4所示。
圖4：所采用的的閉環保護方法示意圖
圖4中z為瞬態抑制二極管，瞬態抑制二極管為一種瞬態沖擊電壓保護器件，反應時間可以達到ns級。相比壓敏電阻，其反應速度快，然而瞬態容量和穩態容量都遠小于壓敏電阻。
在檢測到短路故障之后，IGBT經rg_fault關斷，當vce升高至瞬態抑制二極管的擊穿電壓時，電流通過瞬態抑制二極管向IGBT門極充電，提升IGBT的門極電壓vge，隨著vce的繼續升高，流過瞬態抑制二極管的電流將增大，從而動態的改變dic/dt，實現了關于vce的閉環保護。
實驗結果
實驗的等效電路圖如圖2所示。驗證性實驗使用一只Infineon公司的半橋IGBT模塊ff450r17me3作為功率開關，9只低感薄膜電容——每只225μf/1200v——組成直流側電容，功率開關與直流側電容通過基于印刷電路板的疊形母排連接，以保證較低的主回路分布電感。ff450r17me3為采用Infineon公司第三代IGBT芯片技術，具有更低的導通壓降，更快的開關速度，同時，采用了新的econodual封 裝模式，保證了IGBT封裝內部更低的分布電感。
圖5：試驗工作臺
驅動板采用infineon的1700v IGBT驅動器2ed300c17作為核心器件，提供良好的隔離和兩路隔離的正負30a的峰值驅動電流能力，以及過流保護、欠壓保護等。通過實時檢測導通時的vce電壓，能夠快速判定短路故障，及時控制門極電平，實現IGBT的軟關斷。其故障狀態下的軟關斷功能和有源電壓箝位功能共同作用，有效地抑制了在故障狀態下關斷IGBT時產生的高di/dt，降低了IGBT兩端的關斷過電壓，保證在最嚴重的的短路下實現安全有效的保護。
圖6：短路試驗結果
在vdc=1200v下進行了短路試驗，試驗波形如圖6所示。可見，在關斷開通短路電流和通態短路電流時，vcemax被可靠地箝位在1350v，小于vces（1700v），使IGBT工作于安全工作區間內，有效地保護了IGBT，所采用的有源電壓箝位技術達到了預期的效果。
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