為了解決傳統(tǒng)VCE在檢測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。基于3 300 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。
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模塊的短路檢測和保護(hù)方法，一般是使用VCE退飽和檢測，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退飽和檢測時(shí)，則需要較長時(shí)間(1~8 μs)的檢測盲區(qū)和較高的集電極-發(fā)射極電壓檢測閾值。較長時(shí)間的檢測盲區(qū)是為了防止IGBT在正常開通時(shí)進(jìn)行誤檢測，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)，較長的短路檢測盲區(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模塊的短路檢測電路，采用兩級(jí)di/dt檢測IGBT兩類短路狀態(tài)的實(shí)用方法。兩級(jí)di/dt可在VCE的檢測盲區(qū)時(shí)間內(nèi)快速檢測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。
![基于兩級(jí)di/dt檢測<a title=]()
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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。
