《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于兩級(jí)di/dt檢測(cè)IGBT模塊短路策略
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
王亮亮1，2，楊 媛1，高 勇1，2，文 陽1，2，馬 麗1
1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048
摘要： 為了解決傳統(tǒng)VCE在檢測(cè)大功率絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊的短路故障時(shí)存在的問題，在分析了IGBT短路特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于兩級(jí)電流變化率(di/dt)檢測(cè)IGBT兩類短路故障的策略。該策略可以使驅(qū)動(dòng)器更早地采取保護(hù)措施，限制IGBT的短路電流和短路功耗，減小關(guān)斷尖峰電壓?；? 300 V/1 200 A IGBT模塊的短路實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該策略的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞： IGBT 短路特性 檢測(cè)電路
中圖分類號(hào)： TN386.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.013
中文引用格式： 王亮亮，楊媛，高勇，等. 基于兩級(jí)di/dt檢測(cè)IGBT模塊短路策略[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：49-51，58.
英文引用格式： Wang Liangliang，Yang Yuan，Gao Yong，et al. Short-circuit strategy of IGBT module based on two levels di/dt detection[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：49-51，58.
Short-circuit strategy of IGBT module based on two levels di/dt detection
Wang Liangliang1，2，Yang Yuan1，Gao Yong1,2，Wen Yang1，2，Ma Li1
1.Department of Electronics Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China； 2.Department of Electronics & Information，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China
Abstract： In order to solve the existing problems of the traditional VCE in detecting the short-circuit fault of high power IGBT module, on the basis of analyzing IGBT short-circuit characteristic, a strategy based on two levels di/dt for detecting IGBT two types short-circuit fault is proposed in this paper. It enables the driver to take protective measures much earlier with limiting IGBT short circuit current and short circuit power consumption, reducing spike voltage. The results of short-circuit experiment based on 3 300 V/1 200 A IGBT module prove that the strategy proposed is effective and feasible.
Key words : IGBT；short-circuit characteristic；detection circuit

0 引言

    IGBT是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，兼有GTR高電流密度、低飽和電壓和高耐壓的優(yōu)點(diǎn)以及MOSFET高輸入阻抗、高開關(guān)頻率、單極型電壓驅(qū)動(dòng)和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來，IGBT已經(jīng)在汽車電子、機(jī)車牽引和新能源等各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。由于大功率IGBT模塊通常工作在高壓大電流的條件下，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，IGBT模塊會(huì)出現(xiàn)短路損壞的問題，嚴(yán)重影響其應(yīng)用。因此，IGBT短路檢測(cè)與保護(hù)是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。而大功率IGBT模塊的短路檢測(cè)和保護(hù)方法，一般是使用VCE退飽和檢測(cè)，再配合適當(dāng)?shù)能涥P(guān)斷電路進(jìn)行保護(hù)[2-3]。但使用VCE退飽和檢測(cè)時(shí)，則需要較長(zhǎng)時(shí)間(1~8 μs)的檢測(cè)盲區(qū)和較高的集電極-發(fā)射極電壓檢測(cè)閾值。較長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)盲區(qū)是為了防止IGBT在正常開通時(shí)進(jìn)行誤檢測(cè)，但當(dāng)IGBT發(fā)生一類短路時(shí)，集電極電流迅速上升，IGBT一直工作在線性區(qū)，較長(zhǎng)的短路檢測(cè)盲區(qū)時(shí)間不僅不利于限制IGBT的短路電流和功耗，而且可能導(dǎo)致IGBT短路超過其10 μs的安全工作時(shí)間而損壞。

    本文根據(jù)IGBT的短路特性和大功率IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種新型大功率IGBT模塊的短路檢測(cè)電路，采用兩級(jí)di/dt檢測(cè)IGBT兩類短路狀態(tài)的實(shí)用方法。兩級(jí)di/dt可在VCE的檢測(cè)盲區(qū)時(shí)間內(nèi)快速檢測(cè)出一類短路故障和二類短路故障。本方案可有效減小IGBT短路工作時(shí)間，限制IGBT的短路電流和功耗，最佳保護(hù)IGBT模塊。

1 IGBT短路的定義

    IGBT短路時(shí)的數(shù)學(xué)表達(dá)式見式(1)，這個(gè)線性方程表示在短路發(fā)生時(shí)，電流的絕對(duì)值與電壓、回路中的電感量及整個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間有關(guān)系。絕大部分的短路，母線電壓都是在額定點(diǎn)的，影響短路電流的因素主要是“短路回路中的電感量”。因此依據(jù)短路回路中的電感量，可將短路分為一類短路和二類短路。

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    一類短路是指IGBT本身處于已經(jīng)短路的負(fù)載回路中，短路回路中的電感量很小(100 nH級(jí))，比如橋臂直通。IGBT發(fā)生一類短路后的工作特性如圖1(a)所示。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，直流母線的所有電壓都集中在IGBT上，集電極電流迅速上升，此時(shí)短路電流上升速率只由功率驅(qū)動(dòng)電路決定，大功率IGBT模塊的一類短路電流上升率有數(shù)kA/μs。由于短路回路中寄生電感的存在，其表現(xiàn)為集電極-發(fā)射極電壓VCE小幅下降后又上升并短暫地超過母線電壓，之后穩(wěn)定在直流母線電壓。門極電壓在電流上升到最大值時(shí)會(huì)超過驅(qū)動(dòng)電壓，之后穩(wěn)定在驅(qū)動(dòng)電壓。

    二類短路是指IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)下發(fā)生短路，這類短路回路中的電感量是不確定的(μH級(jí))，比如相間短路或相對(duì)地短路。IGBT發(fā)生二類短路后的工作特性如圖1(b)所示。IGBT先工作在飽和區(qū)，在IGBT模塊電流不斷上升的同時(shí)VCE也隨著升高，只是上升幅度極小不易觀察到。當(dāng)IGBT電流繼續(xù)上升到一定值時(shí)，IGBT開始進(jìn)入退飽和區(qū)，VCE快速上升并短暫地超過母線電壓，最終穩(wěn)定在直流母線電壓。與一類短路相比，IGBT將受到更大的沖擊。

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    IGBT發(fā)生短路時(shí)的電流是額定電流的8~10倍[4]。如果不能夠快速地檢測(cè)到短路故障，同時(shí)配合適當(dāng)?shù)能涥P(guān)斷保護(hù)措施，IGBT將會(huì)被損壞。

2 兩級(jí)di/dt檢測(cè)短路原理

    封裝后的IGBT模塊內(nèi)部有兩個(gè)發(fā)射極，一個(gè)是輔助e極，另一個(gè)是功率E極，輔助e極和功率E極之間有一個(gè)小于10 nH的寄生電感LeE，這個(gè)很小的寄生電感LeE在大的電流變化率下可以產(chǎn)生感應(yīng)電壓VeE[5]：

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    VeE即可反映出集電極電流IC的變化率。圖2所示為IGBT短路檢測(cè)原理圖，設(shè)置了兩個(gè)短路檢測(cè)閾值Vref1=7 V和Vref2=6 V來區(qū)分短路狀態(tài)(Vref1為第一級(jí)di/dt檢測(cè)閾值、Vref2為第二級(jí)di/dt檢測(cè)閾值且Vref1>Vref2)，在IGBT開通信號(hào)到來時(shí)，Vref1和Vref2均小于采樣電壓Vsam。當(dāng)采樣電壓Vsam小于短路檢測(cè)閾值Vref2時(shí)，可判斷模塊發(fā)生一類短路；當(dāng)采樣電壓Vsam僅小于短路檢測(cè)閾值Vref1時(shí)，可判斷模塊發(fā)生二類短路。

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    當(dāng)IGBT發(fā)生一類短路后，IC迅速增大，1 μs內(nèi)就可達(dá)到數(shù)kA，如此大的di/dt在LeE上產(chǎn)生的VeE較大且絕對(duì)值可以達(dá)到18 V。此時(shí)Vref1和Vref2均大于采樣得到的電壓Vsam，超過第二級(jí)di/dt的閾值，相應(yīng)的比較器將輸出短路信號(hào)送給前級(jí)CPLD，從而采取適當(dāng)?shù)能涥P(guān)斷措施關(guān)斷IGBT模塊。顯然，di/dt不需要檢測(cè)盲區(qū)時(shí)間，只要電流一開始上升，就可通過采樣VeE電壓判斷IGBT是否發(fā)生短路，從而達(dá)到最佳的保護(hù)方式。

    當(dāng)IGBT發(fā)生二類短路后，電流上升率主要受母線電壓和負(fù)載影響，上升速率低于一類短路的電流上升率。此時(shí)，VeE的絕對(duì)值較小，即得到的采樣電壓Vsam小，不適合采用同一級(jí)di/dt進(jìn)行檢測(cè)。而第一級(jí)di/dt檢測(cè)就可以最佳地解決二類短路的檢測(cè)。當(dāng)IGBT發(fā)生二類短路后，集電極電流先快速上升，然后VCE也開始上升直至母線電壓。通過設(shè)置合適的第一級(jí)di/dt檢測(cè)閾值就可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到IGBT模塊發(fā)生的二類短路，驅(qū)動(dòng)器采取適當(dāng)?shù)能涥P(guān)斷措施關(guān)斷IGBT模塊，最佳地保護(hù)IGBT模塊。

    傳統(tǒng)使用VCE進(jìn)行短路檢測(cè)時(shí)，因需兼顧檢測(cè)一類短路和二類短路的需要，VCE需要較高的閾值，這使得驅(qū)動(dòng)器只能在IGBT退飽和時(shí)的VCE快速上升階段檢測(cè)到IGBT的短路狀態(tài)。利用兩級(jí)di/dt分別檢測(cè)兩類短路，會(huì)在VCE檢測(cè)盲區(qū)時(shí)間內(nèi)就檢測(cè)到兩類短路狀態(tài)。因此，無論是一類短路還是二類短路，利用兩級(jí)di/dt檢測(cè)短路的方法，通過設(shè)置合適的檢測(cè)閾值，都擁有更快的檢測(cè)速度從而最佳地保護(hù)IGBT模塊。

    需要注意的是兩級(jí)di/dt分別檢測(cè)IGBT模塊的兩類短路需配合適當(dāng)?shù)能涥P(guān)斷電路才能發(fā)揮其快速檢測(cè)IGBT模塊短路的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器快速檢測(cè)到IGBT發(fā)生短路后不能立即直接關(guān)斷IGBT模塊，因?yàn)榇藭r(shí)電流還在不斷上升，如果直接關(guān)斷IGBT模塊將會(huì)產(chǎn)生非常高的電壓尖峰，會(huì)危及IGBT的安全。若使用硬關(guān)斷，則需等待VCE上升至母線電壓方可動(dòng)作；若使用軟關(guān)斷，可立即動(dòng)作，緩慢降低門極電壓，電流會(huì)逐漸降低，此時(shí)VCE上升速率會(huì)加快，但產(chǎn)生的過壓會(huì)非常小。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的短路檢測(cè)策略較傳統(tǒng)短路檢測(cè)方法的優(yōu)越性，使用3 300 V/1 200 A IGBT模塊進(jìn)行短路實(shí)驗(yàn)[5]，在實(shí)驗(yàn)中將母線電壓調(diào)整為1 500 V。

    圖3(a)為一類短路測(cè)試原理圖，電網(wǎng)電壓經(jīng)過調(diào)壓器和整流橋，將母線電容電壓充到1 500 V，上管IGBT的門極被-15 V關(guān)斷，且用粗短的銅排將其短路。對(duì)下管的IGBT釋放一個(gè)12 μs的單脈沖，直通就形成一類短路。圖3(b)為二類短路測(cè)試原理圖，將母線電容電壓同樣充到1 500 V，上管IGBT的門極被-15 V關(guān)斷，且給上管并聯(lián)一個(gè)4 μH的電感作為負(fù)載，下橋臂通過IGBT驅(qū)動(dòng)器釋放一個(gè)15 μs的單脈沖就形成二類短路。

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    圖4為傳統(tǒng)使用VCE檢測(cè)短路的波形。VCE檢測(cè)閾值為4 V，短路檢測(cè)盲區(qū)時(shí)間8 μs。圖4(a)為一類短路的測(cè)試波形，由圖可知，驗(yàn)證所用IGBT模塊發(fā)生一類短路后開通4 μs時(shí)電流上升到最大值6.12 kA，短路持續(xù)時(shí)間約8 μs，短路損耗約60 J。圖4(b)為二類短路測(cè)試波形，由波形可知，發(fā)生二類短路后開通約14 μs電流上升到最大值6.80 kA，短路損耗約12 J。

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    圖5為本文設(shè)計(jì)的兩級(jí)di/dt分別檢測(cè)兩類短路的波形。通過觀察圖5(a)實(shí)驗(yàn)波形可知，發(fā)生一類短路后開通約2.4 μs時(shí)，第二級(jí)di/dt已檢測(cè)出一類短路狀態(tài)并將短路信號(hào)送給前級(jí)CPLD，驅(qū)動(dòng)器采取相應(yīng)的軟關(guān)斷措施將電流最大值限制在3.16 kA，短路持續(xù)時(shí)間為2 μs，短路損耗約5 J。通過對(duì)比分析圖4(a)和圖5(a)可知，圖5(a)的短路時(shí)間、短路電流和短路損耗遠(yuǎn)小于圖4(a)。觀察圖5(b)二類短路實(shí)驗(yàn)波形可知，開通約5.6 μs，第一級(jí)di/dt立刻檢測(cè)出二類短路狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)器立即采取相應(yīng)的軟關(guān)斷保護(hù)措施將電流最大值限制在4.2 kA，短路損耗約7 J。顯而易見，短路時(shí)間、短路電流和短路損耗也比圖4(b)小的多。

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    通過實(shí)驗(yàn)波形分析對(duì)比可知，兩級(jí)電流變化率(di/dt)檢測(cè)兩類短路故障，可在傳統(tǒng)VCE退飽和短路檢測(cè)方法的檢測(cè)盲區(qū)時(shí)間內(nèi)就檢測(cè)到短路故障，使IGBT驅(qū)動(dòng)器有充足的反應(yīng)時(shí)間。再結(jié)合相應(yīng)的軟關(guān)斷保護(hù)策略，大大減小了IGBT的短路時(shí)間、短路電流，降低了短路功耗，最佳地保護(hù)了IGBT模塊。

4 結(jié)論

    本文根據(jù)IGBT的短路特性和大功率IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種采用兩級(jí)di/dt分別檢測(cè)IGBT兩類短路故障的實(shí)用新方法。該方案可快速檢測(cè)IGBT的短路故障，使驅(qū)動(dòng)器能夠提早對(duì)短路故障做出響應(yīng)，可靠有效地保護(hù)IGBT模塊。通過調(diào)節(jié)兩級(jí)di/dt的檢測(cè)閾值，該方案還可以應(yīng)用于多種等級(jí)的大功率IGBT模塊的短路檢測(cè)，保證IGBT系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

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