二代大功率IGBT短路保護和有源鉗位電路設計

摘要：通過(guò)分析IGBT的器件特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模塊2SC0435T作為核心部件，設計了大功率IGBT的短路保護和有源鉗位電路。
關(guān)鍵詞：IGBT模塊；二代SCALE-2模塊；2SC0435T；短路保護；有源鉗位

0 引言
IGBT模塊耐壓高、電流大、飽和壓降低、工作頻率高，是大功率逆變器、電源等電力電子裝置的首選功率器件。但IGBT抗過(guò)載能力不高，設計發(fā)揮IGBT性能、高可靠性的IGBT驅動(dòng)電路，是設計者必須考慮的問(wèn)題。本文從應用角度，分析了IGBT的特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模塊2SC0435T為核心部件，設計了大功率IGBT的短路保護和有源鉗位電路，試驗驗證該驅動(dòng)器具有良好的驅動(dòng)及保護能力。

1 IGBT的特性分析
1．1 IGBT損壞原因分析
IGBT模塊在使用過(guò)程中損壞的主要原因有：VCE過(guò)壓、VCE過(guò)壓、過(guò)高的dv／dt、過(guò)高的靜電(ESD)、過(guò)流、短路、過(guò)高的di／dt、過(guò)高的結溫等，IGBT驅動(dòng)電路能保護的項目有：VCE過(guò)壓、VCE過(guò)壓、過(guò)高的dv／dt、短路、過(guò)高的di／dt。
1．2 IGBT的外特性
圖1是IGBT的外特性圖，通常IGBT的datasheet中只給出額定電流的2倍曲線(xiàn)的外特性(左下角)，電流再大的部分屬于定性不定量的示意圖。

它表示，在短路發(fā)生時(shí)，電流的絕對值與電壓、回路中的電感量及整個(gè)過(guò)程持續的時(shí)間有關(guān)系。絕大部分的短路，母線(xiàn)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”。因此依據短路回路中的電感量，可將短路分為一類(lèi)短路和二類(lèi)短路。
發(fā)生一類(lèi)短路時(shí)，回路中的電感量很小(100nH級)，見(jiàn)圖2。IGBT的電流會(huì )快速上升，當電流上升到4倍額定電流，IGBT發(fā)生退飽和現象，IGBT的電壓會(huì )迅速上升至直流母線(xiàn)電壓，芯片的損耗非常大。驅動(dòng)器需在10us內把IGBT關(guān)斷，稱(chēng)短路保護。

發(fā)生二類(lèi)短路時(shí)，由于回路的電感量稍大(uH級)，電流爬升的速度慢(相比一類(lèi))，IGBT的Vcesat下降至飽和壓降，隨著(zhù)電流進(jìn)一步加大，飽和壓降輕微上升，之后存在兩種情況：
●電流能到達“退飽和點(diǎn)”時(shí)，Vcesat迅速上升至直流母線(xiàn)電壓，10μs內驅動(dòng)器關(guān)斷IGBT，IGBT得到保護；
●當電流爬升慢，IGBT不發(fā)生退飽和現象，IGBT處于過(guò)流狀態(tài)。如果不及時(shí)關(guān)斷，由于電流比正常值高很多，經(jīng)過(guò)若干開(kāi)關(guān)周期后，IGB T損耗會(huì )比較高，結溫會(huì )迅速上升，從而導致IGBT失效。此時(shí)需檢測IGBT電流變化率，對IGBT進(jìn)行及時(shí)關(guān)斷，稱(chēng)過(guò)流保護。
根據IGBT特性，IGBT電流變化率可通過(guò)Vcesat檢測，但由于Vcesat在飽和區內變化微弱，容易導致驅動(dòng)器誤保護，所以，現在IGBT驅動(dòng)保護電路只進(jìn)行短路保護，過(guò)流保護由霍爾電流傳感器完成。