IGBT過(guò)流故障和短路故障的區(qū)別

在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種被廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件。它結(jié)合了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的輸入阻抗高和雙極型晶體管（BJT）的載流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

然而，IGBT在其工作過(guò)程中可能會(huì)遇到多種故障，其中過(guò)流和短路是最常見(jiàn)且對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性威脅最大的兩種故障。本文將詳細(xì)分析IGBT過(guò)流與短路故障之間的區(qū)別，并通過(guò)比較、舉例以及數(shù)據(jù)支持來(lái)增強(qiáng)解釋的準(zhǔn)確性和條理性。

首先，讓我們理解IGBT的基本工作原理。IGBT通過(guò)施加在門極上的電壓來(lái)控制其導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)門極電壓高于閾值電壓時(shí)，IGBT導(dǎo)通并允許電流通過(guò)；當(dāng)門極電壓低于閾值電壓時(shí)，IGBT關(guān)斷并阻止電流流動(dòng)。在理想狀態(tài)下，IGBT能夠在完全導(dǎo)通和完全關(guān)斷之間快速切換，實(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)換。

過(guò)流故障是指流過(guò)IGBT的電流超過(guò)了其設(shè)計(jì)的最大額定電流。這種情況可能是由于外部負(fù)載突然減小或電源電壓異常升高引起的。過(guò)流故障不會(huì)立即損壞IGBT，但如果不及時(shí)處理，持續(xù)的過(guò)流會(huì)導(dǎo)致器件過(guò)熱，進(jìn)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(fā)射極之間發(fā)生直接的電氣連接，通常是由于外部電路故障或負(fù)載側(cè)出現(xiàn)短路造成的。短路故障會(huì)導(dǎo)致極大的電流瞬間流過(guò)IGBT，遠(yuǎn)超過(guò)其最大額定電流，這種劇烈的電流峰值會(huì)立即損壞IGBT，甚至可能引發(fā)火災(zāi)或其他安全事故。

過(guò)流一般是指由于某種原因引起的 負(fù)載過(guò)載 （例如電機(jī)堵轉(zhuǎn)），也有可能是由于軟件控制問(wèn)題導(dǎo)致的電流發(fā)散、振蕩導(dǎo)致。而短路一般是指橋****臂直通 ，或母線電壓經(jīng)過(guò)IGBT的無(wú)負(fù)載回路（ 相間短路或相對(duì)地短路 ）。

過(guò)流和短路的保護(hù)方法也有所不同，過(guò)流保護(hù)通常會(huì)采用輸出電流傳感器作為檢測(cè)元件，在 控制板上通過(guò)硬件或軟件方式實(shí)施保護(hù) ，而短路保護(hù)只能通過(guò)硬件進(jìn)行檢測(cè)，一般會(huì)集成到IGBT驅(qū)動(dòng)電路上，通過(guò)檢測(cè)IGBT的退飽和行為來(lái)實(shí)施保護(hù)。

下面我們以工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器為例說(shuō)明一下常見(jiàn)的短路故障，如圖1所示：

圖1 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)短路故障

① 橋臂直通： 一個(gè)橋臂的兩個(gè)IGBT同時(shí)開(kāi)通所導(dǎo)致，這種情況可能是因?yàn)樵馐芰?電磁干擾或控制器故障 ，也有可能是因?yàn)闃虮壑械囊粋€(gè)IGBT故障，而正常的IGBT保持開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

② ** 相對(duì)相短路：** 可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過(guò)高或過(guò)壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組之間發(fā)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(duì)地短路：** 同樣可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過(guò)高或過(guò)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(zhǎng)且在電纜的末端發(fā)生短路，那短路阻抗相對(duì)很大，這種短路和過(guò)流可能沒(méi)有太大區(qū)別，也可以通過(guò)輸出電流傳感器進(jìn)行短路保護(hù)。

需要說(shuō)明的是 IGBT發(fā)生橋臂直通短路故障的幾率相對(duì)較小。 因此，在有些低成本應(yīng)用中，IGBT驅(qū)動(dòng)電路并沒(méi)有集成短路保護(hù)，只有過(guò)流保護(hù)。這時(shí)如果負(fù)載側(cè)發(fā)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(yīng)速度 。