IGBT驱动电路过流保护的分类及其检测方法

1．IGBT驱动电路过流保护的分类

IGBT的过流保护电路可分为两类：一类是低倍数(1.2-1.5倍)的过载保护；另一类是高倍数（可达8-10倍）的短路保护。

(1)过载保护

原则上，IGBT在过流时的开关和通态特性与其在额定条件下运行时的特性相比并没有什么不同。由于较大的负载电流会引起IGBT内较高的损耗，所以，为了避免超过最大的允许结温，IGBT的过载范围应该受到限制。不仅仅是过载时结温的绝对值，而且连过载时的温度变化范围都是限制性因素。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。

(2)短路保护

IGBT能承受短路电流的时间很短，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5us，而饱和压降为3V的IGBT允许承受的短路时间可达15us，4-5V时可达30us以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方增大，造成承受短路的时间迅速缩短。

原则上，IGBT都是安全短路器件。也就是说，它们在一定的外部条件下可以承受短路电流，然后被关断，而器件不会产生损坏。在考察短路时，要区分以下两种情况。

1）短路Ⅰ。短路Ⅰ是指IGBT开通于一个已经短路的负载回路中，也就是说在正常情况下的直流母线电压全部降落在IGBT上。短路电流的上升速度由驱动参数(驱动电压、栅极电阻)所决定。由于短路回路中寄生电感的存在，这一电流的变化将产生一个电压降，其表现为集电极发射极电压特性上的电压陡降。稳态短路电流值由IGBT的输出特性所决定。对于IGBT来说，典型值最高可达到额定电流的8-10倍。

2）短路Ⅱ。在此短路情形下，IGBT在短路发生前已经处于导通状态。与短路Ⅰ情形相比较，IGBT所受的冲击更大，一旦发生短路，集电极电流迅速上升，其上升速度由直流母线电压Udc和短路回路中的电感所决定。在时间段1内，IGBT脱离饱和区。集电极-发射极电压的快速变化将通过栅极集电极电容产生一个位移电流，该位移电流又引起栅极-发射极电压升高，其结果是出现一个动态的短路峰值电流IC/SCM。在IGBT完全脱离饱和区后，短路电流趋于稳态值（时间段2）。在此期间，回路的寄生电感将感应出一个电压，其表现为IGBT过电压。

在短路电流稳定后（时间段3），短路电流被关断。此时换流回路中的电感LK将在IGBT上再次感应一个过电压（时间段4）。IGBT在短路过程中所感应的过电压可能会是其正常运行的数倍。为保证IGBT安全运行，必须满足下列重要的临界条件。

1）短路必须被检测出，并在不超过10us的时间内关闭IGBT。

2）两次短路的时间间隔最少为1s。

3）在IGBT的总运行时间内，其短路次数不得大于1000次。

短路Ⅰ和短路Ⅱ均将在IGBT中引起损耗，从而使结温上升。在这里，集电极-发射极电压的正温度系数有一个优点（对漏源电压也同样适用），它使得稳态短路期间的集电极电流得以减小。 2．IGBT驱动电路过流保护检测电路 (1)用电阻或电流互感器构成的检测过流电路 用电阻或电流互感器构成的检测过流电路如下图(a)和(b)所示，可以用电阻或电流互感器初级与IGBT串联，检测IGBT集电极的电流。当有过流情况发生时，控制单元断开IGBT的输人，达到保护IGBT的目的。

(2)检测IGBT的UCE(sat)电压的过流检测电

检测IGBT的UCE(sat)电压的过流检测电路如图 (c)所示，因UCE(sat) =ICRCE(sat)，当Ic增大时，UCE(sat)也随之增大。若栅极电压为高电平，而UCE较高，则此时就有过流情况发生，与门输出高电平，将过流信号输出，控制单元断开IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。

(3)检测负载电流的电

检测负载电流的IGBT驱动电路与图(a)中的检测方法基本相同，但图(a)属直接法，检测负载电流属间接法，如图(d)所示。当负载短路或负载电流加大时，也可能使前级的IGBT的集电极电流增大，导致IGBT损坏。由负载处（或IGBT的后一级电路）检测到异常后，控制单元切断IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。

由IGBT构成的逆变器中的故障电流可以在电路的不同节点检测，对被检测到的故障电流的反应现象也各不相同。故障电流若是在IGBT功率模块内部被检测到，并由IGBT功率模块内的驱动器直接关断，IGBT的总响应时间可能只有数十纳秒。若故障电流检测在IGBT功率模块之外进行，则故障电流信号首先被送至逆变器的控制电路，并从控制单元发出触发故障反应程序，这一过程被称作慢保护。此过程甚至还可以由逆变器的控制调节系统来处理（例如系统对过载的反应），使IGBT的总响应时间延长。

下图给出了一个电压型逆变器可能检测到故障电流的测试点示意图。故障电流的检测可以作如下划分：

过电流可在①～⑦点检测；桥臂直通短路可在①～④和⑥、⑦点检测；负载短路可在①～⑦点检测；对地短路可在①、③、⑤、⑥点检测，或通过计算①与②点电流之差而得到。原则上，IGBT短路保护要求具有快速性，以在驱动电路的输出端实现直接控制，原因是在短路发生后IGBT功率模块必须在10us之内关闭。为此，故障电流可以在检测点③、④、⑥和⑦处检测。

在①～⑤点测量故障电流可以通过测量分流器或测量用电流互感器来实现。采用测量用分流器检测过电流的检测方法简单，要求用低电阻（10~100mΩ）、低电感的功率分流器，测量信号对干扰高度灵敏，测量信号不带电位隔离。采用电流互感器检测过电流远比分流器复杂，但与分流器相比较，测量信号不易受干扰，测量值已被隔离。

在测试点⑥和⑦检测故障电流可以直接在IGBT的端子处进行。在这里，保护方法可以是检测（间接测量）UCE(sat)，或者是镜像电流检测。镜像电流检测采用由一个传感器检测一小部分IGBT单元电流的办法来反映主电流（直接测量）。镜像电流检测的原理电路图如图(a)所示。

在一个镜像IGBT中，一小部分的IGBT单元和一个用于检测的发射极电阻相结合，并联接于主IGBT的电流臂上。一旦导通的集电极电流通过测量电阻，便可以获得其电流检测值。在Rsense=0时，两个发射极之间的电流比等于理想值，为镜像IGBT单元数与总单元数之比。如果Rsense增大，则测量电路中导通的电流将因测量信号的反馈而减小。

因此，电阻Rsense应被控制在1~5Ω的范围内，以便获得足够精确的集电极电流测量结果。如果用于关断的电流门限值只是略大于IGBT功率模块的额定电流，那么在IGBT开通期间，由于反向续流二极管反向恢复电流峰值的作用，电流检测必须关闭（在硬开关电路）中。检测电阻Rsense趋于无限大时，则其测量电压等于集电极发射极饱和电压。因此，镜像电流检测转化为UCE(sat)检测。

 

审核编辑：刘清