IGBT過流保護(hù)技術(shù)示例

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動的整個市場趨勢是對更高效率以及可靠性和穩(wěn)定性的要求不斷提高。功率半導(dǎo)體器件制造商不斷在導(dǎo)通損耗和開關(guān)時間上尋求突破。有關(guān)增加絕緣柵極雙極性晶體管(IGBT)導(dǎo)通損耗的一些權(quán)衡取舍是：更高的短路電流電平、更小的芯片尺寸，以及更低的熱容量和短路耐受時間。這凸顯了柵極驅(qū)動器電路以及過流檢測和保護(hù)功能的重要性。本文討論現(xiàn)代工業(yè)電機(jī)驅(qū)動中成功可靠地實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的問題。

工業(yè)環(huán)境中的短路

工業(yè)電機(jī)驅(qū)動器的工作環(huán)境相對惡劣，可能出現(xiàn)高溫、交流線路瞬變、機(jī)械過載、接線錯誤以及其它突發(fā)情況。其中有些事件可能會導(dǎo)致較大的過流流入電機(jī)驅(qū)動器的功率電路中。圖1顯示了三種典型的短路事件。

圖1 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動中的典型短路事件

其中：

1是逆變器直通。這可能是由于不正確開啟其中一條逆變器橋臂的兩個IGBT所導(dǎo)致的，而這種情況又可能是因?yàn)樵馐芰穗姶鸥蓴_或控制器故障。它也可能是因?yàn)楸凵系钠渲幸粋€IGBT磨損/故障導(dǎo)致的，而正常的IGBT保持開關(guān)動作。

2是相對相短路。這可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過高或過壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。

3是相線對地短路。這同樣可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過高或過壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組和電機(jī)外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。一般而言，電機(jī)可在相對較長的時間內(nèi)(毫秒到秒，具體取決于電機(jī)尺寸和類型)吸收極高的電流；然而，IGBT——工業(yè)電機(jī)驅(qū)動逆變器級的主要部分——短路耐受時間為微秒級。

IGBT短路耐受能力

IGBT短路耐受時間與其跨導(dǎo)或增益以及IGBT芯片熱容量有關(guān)。更高的增益導(dǎo)致IGBT內(nèi)的短路電流更高，因此顯然增益較低的IGBT具有較低的短路電平。然而，較高增益同樣會導(dǎo)致較低的通態(tài)導(dǎo)通損耗，因而必須作出權(quán)衡取舍。IGBT技術(shù)的發(fā)展正在促成增加短路電流電平，但降低短路耐受時間這一趨勢。此外，技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致使用芯片尺寸更小， 縮小了模塊尺寸，但降低了熱容量，以至耐受時間進(jìn)一步縮短。

另外，還與IGBT集電極-發(fā)射極電壓有很大關(guān)系，因而工業(yè)驅(qū)動趨向更高直流總線電壓電平的并行趨勢進(jìn)一步縮減了短路耐受時間。過去，這一時間范圍是10 μs，但近年來的趨勢是在往5 μs3以及某些條件下低至1 μs方向發(fā)展。

此外，不同器件的短路耐受時間也有較大的不同，因此對于IGBT保護(hù)電路而言，通常建議內(nèi)建多于額定短路耐受時間的額外裕量。

IGBT過流保護(hù)

無論出于財(cái)產(chǎn)損失還是安全方面的考量，針對過流條件的IGBT保護(hù)都是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。IGBT并非是一種故障安全元件，它們?nèi)舫霈F(xiàn)故障則可能導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個驅(qū)動出現(xiàn)故障。過流保護(hù)一般通過電流測量或去飽和檢測來實(shí)現(xiàn)。圖2顯示了這些技巧。

對于電流測量而言，逆變器臂和相位輸出都需要諸如分流電阻等測量器件，以便應(yīng)付直通故障和電機(jī)繞組故障?？刂破骱?或柵極驅(qū)動器中的快速執(zhí)行跳變電路必須及時關(guān)斷IGBT，防止超出短路耐受時間。這種方法的最大好處是它要求在每個逆變器臂上各配備兩個測量器件，并配備一切相關(guān)的信號調(diào)理和隔離電路。只需在正直流總線線路和負(fù)直流總線線路上添加分流電阻即可緩解這種情況。然而，在很多情況下，驅(qū)動架構(gòu)中要么存在臂分流電阻，要么存在相位分流電阻，以便為電流控制環(huán)路服務(wù)，并提供電機(jī)過流保護(hù)；它們同樣可能用于IGBT過流保護(hù)——前提是信號調(diào)理的響應(yīng)時間足夠快，可以在要求的短路耐受時間內(nèi)保護(hù)IGBT。

圖2 IGBT過流保護(hù)技術(shù)示例

去飽和檢測利用IGBT本身作為電流測量元件。原理圖中的二極管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓在導(dǎo)通期間僅受到檢測電路的監(jiān)控；正常工作時，集電極-發(fā)射極電壓非常低(典型值為1 V至4 V)。然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅(qū)動IGBT退出飽和區(qū)并進(jìn)入線性工作區(qū)的電平。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快速升高。上述正常電壓電平可用來表示存在短路，而去飽和跳變閾值電平通常在7 V至9 V區(qū)域內(nèi)。重要的是，去飽和還可表示柵極-發(fā)射極電壓過低，且IGBT未完全驅(qū)動至飽和區(qū)。進(jìn)行去飽和檢測部署時需仔細(xì)，以防誤觸發(fā)。這尤其可能發(fā)生在IGBT尚未完全進(jìn)入飽和狀態(tài)時，從IGBT關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到IGBT導(dǎo)通狀態(tài)期間。消隱時間通常在開啟信號和去飽和檢測激活時刻之間，以避免誤檢。通常還會加入電流源充電電容或RC濾波器，以便在檢測機(jī)制中產(chǎn)生短暫的時間常數(shù)，過濾噪聲拾取導(dǎo)致的濾波器雜散跳變。選擇這些濾波器元件時，需在噪聲抗擾度和IGBT短路耐受時間內(nèi)作出反應(yīng)這兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。

檢測到IGBT過流后，進(jìn)一步的挑戰(zhàn)便是關(guān)閉處于不正常高電流電平狀態(tài)的IGBT。正常工作條件下，柵極驅(qū)動器設(shè)計(jì)為能夠盡可能快速地關(guān)閉IGBT，以便最大程度降低開關(guān)損耗。這是通過較低的驅(qū)動器阻抗和柵極驅(qū)動電阻來實(shí)現(xiàn)的。如果針對過流條件施加同樣的柵極關(guān)斷速率，則集電極-發(fā)射極的di/dt將會大很多，因?yàn)樵谳^短的時間內(nèi)電流變化較大。由于線焊和PCB走線雜散電感導(dǎo)致的集電極-發(fā)射極電路寄生電感可能會使較大的過壓電平瞬間到達(dá)IGBT(因?yàn)閂LSTRAY = LSTRAY × di/dt)。因此，在去飽和事件發(fā)生期間，關(guān)斷IGBT時，提供阻抗較高的關(guān)斷路徑很重要，這樣可以降低di/dt以及一切具有潛在破壞性的過壓電平。

除了系統(tǒng)故障導(dǎo)致的短路，瞬時逆變器直通同樣會發(fā)生在正常工作條件下。此時，IGBT導(dǎo)通要求IGBT驅(qū)動至飽和區(qū)域，在該區(qū)域中導(dǎo)通損耗最低。這通常意味著導(dǎo)通狀態(tài)時的柵極-發(fā)射極電壓大于12 V。IGBT關(guān)斷要求IGBT驅(qū)動至工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導(dǎo)通時成功阻隔兩端的反向高電壓。原則上講，可以通過使IGBT柵極-發(fā)射極電壓下降至0 V實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。但是，必須考慮逆變器臂上低端晶體管導(dǎo)通時的副作用。

導(dǎo)通時開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的快速變化導(dǎo)致容性感應(yīng)電流流過低端IGBT寄生密勒柵極-集電極電容(圖3中的CGC)。該電流流過低端柵極驅(qū)動器(圖3中的ZDRIVER)關(guān)斷阻抗，在低端IGBT柵極發(fā)射極端創(chuàng)造出一個瞬變電壓增加，如圖所示。如果該電壓上升至IGBT閾值電壓VTH以上，則會導(dǎo)致低端IGBT的短暫導(dǎo)通，從而形成瞬態(tài)逆變器臂直通——因?yàn)閮蓚€IGBT都短暫導(dǎo)通。這一般不會破壞IGBT，但卻能增加功耗，影響可靠性。

圖3 密勒感應(yīng)逆變器直通

一般而言，有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通問題——使用雙極性電源或額外的米勒箝位。在柵極驅(qū)動器隔離端接受雙極性電源的能力為感應(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，–7.5 V負(fù)電源軌表示需要大于8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變才能感應(yīng)雜散導(dǎo)通。這足以防止雜散導(dǎo)通。另一種方法是在完成關(guān)斷轉(zhuǎn)換后的一段時間內(nèi)降低柵極驅(qū)動器電路的關(guān)斷阻抗。這稱為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在流經(jīng)較低阻抗的電路，隨后降低電壓瞬變的幅度。針對導(dǎo)通與關(guān)斷采用非對稱柵極電阻，便可為開關(guān)速率控制提供額外的靈活性。所有這些柵極驅(qū)動器功能都對整個系統(tǒng)的可靠性與效率有正面影響。