IGBT被廣泛用於各類pwm變流器，如ups、變頻器
、有源電力濾波器等。隨著IGBT製造工藝的發展，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(de)到(dao)了(le)更(geng)為(wei)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。隨(sui)著(zhe)變(bian)流(liu)器(qi)容(rong)量(liang)的(de)提(ti)升(sheng)，變(bian)流(liu)器(qi)在(zai)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)以(yi)及(ji)可(ke)靠(kao)性(xing)中(zhong)所(suo)占(zhan)的(de)比(bi)重(zhong)日(ri)益(yi)增(zeng)大(da)，因(yin)此(ci)，兆(zhao)瓦(wa)級(ji)變(bian)流(liu)器(qi)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)成(cheng)為(wei)廣(guang)泛(fan)關(guan)注(zhu)的(de)問(wen)題(ti)。

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矽材料或焊接導線的熱效應所引起。

（1）超出矽材料的熱極限

短路過程中，IGBT承受整個vdc電壓

，同時ic為正常電流的若幹倍。IGBT將承受遠大於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，隨後整個器件完全損壞。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的控製力。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

在保護電路控製IGBT主動關斷由於短路引起的大電流時，由於分布電感的存在會產生vce過電壓，vce超過了特定的限製。IGBT將因雪崩擊穿而損壞
；與短路電流相等的ic將集中於一塊很窄的矽上從而產生一個高溫的熱點
，因此，IGBT失去它的阻斷能力，並在幾十ns內失去電壓。為了防止由於這類原因造成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控製的門極驅動器。

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，很短時間後重新開始上升，穩態時，vce略低於IGBT斷態電壓——直流側電壓vdc。


通態短路是指在IGBT已經開通進入穩定導通狀態之後，負載發生短路
，如圖1b）所示。短路發生後，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後
，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表現出很大的過衝
，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出現兩次過衝。第一次過衝是因為IGBT自身的限流作用，第二次是因為人為的IGBT關斷指令。通常
，第二次電壓過衝是很高的，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免於由於此類故障損壞。


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，隻要流經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表示反並聯二極管的正向恢複電壓
，通常為10到50v。

為了保證vce在IGBT的額定範圍以內換流電流變化率必須滿足下式。


相關閱讀：

大功率開關電源IGBT短路保護的三種設計方法
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一種新型的IGBT短路保護電路的設計
http://m.0-fzl.cn/motor-art/80000715
第二講：基於IGBT的高能效電源設計
http://m.0-fzl.cn/gptech-art/80020858
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短路時關斷過電壓的抑製方法

傳統保護方法

傳統IGBT驅動器 的控製框圖如圖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

，為了限製關斷過電壓

，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，這是一種開環的控製方法，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。
有源電壓箝位技術

對於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中z為瞬態抑製二極管
，瞬態抑製二極管為一種瞬態衝擊電壓保護器件，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於壓敏電阻。

在檢測到短路故障之後，IGBT經rg_fault關斷，當vce升高至瞬態抑製二極管的擊穿電壓時

，電流通過瞬態抑製二極管向IGBT門極充電，提升IGBT的門極電壓vge，隨著vce的繼續升高
，流過瞬態抑製二極管的電流將增大
，從而動態的改變dic/dt，實現了關於vce的閉環保護。

實驗結果

實驗的等效電路圖如圖2所示。驗證性實驗使用一隻Infineon公司的半橋IGBT模塊ff450r17me3作為功率開關，9隻低感薄膜電容——每隻225μf/1200v——組成直流側電容，功率開關與直流側電容通過基於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。

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，及時控製門極電平，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
，有效地抑製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。


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
，小於vces（1700v），使IGBT工作於安全工作區間內
，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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