IGBT 驅動(dòng)器提供可靠保護

1引言

為確保電力電子組件在非允許工作的條件影響下得到可靠的保護，需要快速和可靠的錯誤檢測及有效的保護措施。在功率模塊中，即可通過(guò)系統控制器或者通過(guò)IGBT驅動(dòng)器提供錯誤管理。系統控制器適用于對慢速故障模式做出反應，如超溫所導致的過(guò)熱。相反，需要驅動(dòng)電子檢測和響應突發(fā)錯誤。如今市場(chǎng)上有各種驅動(dòng)器，它們的適用性、效率和可靠性各不相同。

2功率轉換系統的故障

功率轉換系統中的快速錯誤包括短路和電路引起的過(guò)電壓。短路是速度最快的錯誤。

當電力電子系統投入使用時(shí)，連接和隔離錯誤往往是造成短路的因素，而在現場(chǎng)應用中，短路可能歸因于故障組件。

如果短路發(fā)生在負載通道或者橋接旁路，IGBT的集電極電流完全增大，造成晶體管飽和。如今市場(chǎng)上的IGBT模塊只能防短路很短的時(shí)間。為了防止IGBT被熱負荷摧毀，在安全時(shí)間內檢測到短路并且可靠地關(guān)斷IGBT是至關(guān)重要的。

驅動(dòng)器的電子電路可通過(guò)測量di/dt或者監測VCE檢測短路。

圖1（a)di/dt檢測電路圖；（b)VCE監測電路圖

di/dt檢測電路見(jiàn)圖1（a），驅動(dòng)器通過(guò)電子線(xiàn)路測量IGBT中電流的變化率。輔助和功率發(fā)射極間的雜散電感上的壓降正比于集電極電流的變化率（di/dt）。通過(guò)將電壓與參考電壓相比較，可以檢測出快速的短路。為了監測緩慢短路，該方法在鍵合線(xiàn)及功率和輔助發(fā)射極間的內部母線(xiàn)中使用阻性元件。然而，此方法還取決于用于電源連接的螺絲連接。這些顯示了一定的接觸電阻特性分布，并要考慮與其他電阻元件的串聯(lián)。這要求精確地適應給定的系統。一般來(lái)說(shuō)，di/dt檢測只能用于帶有輔助發(fā)射極輸出的IGBT模塊。

VCesat監測（圖1b）是通過(guò)集電極電流與通態(tài)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)實(shí)現的。為此，集電極-發(fā)射極電壓被測量，并通過(guò)一個(gè)比較器與一個(gè)參考電壓相比較。如果電壓讀數超過(guò)參考電壓，驅動(dòng)器的電子電路會(huì )自動(dòng)關(guān)斷晶體管。由于晶體管電壓的迅速增加，Vce監測是一個(gè)可靠的短路檢測方法。Vce監測的優(yōu)點(diǎn)是可快速檢測到短路，適用于任何標準的IGBT。

如果短路時(shí)負載帶有較大的電流，如在電源側，集電極電流上升速度更加緩慢。在這種情況下，Vce閾值必須做相應的調整。為了能夠在過(guò)流檢測中使用Vce方法，可使用多級Vce監測。此時(shí)，定義幾個(gè)帶給定參考時(shí)間的跳變閾值。但是，這種方法的缺點(diǎn)是溫度不同會(huì )導致測量結果完全不一樣，以及要調整給定系統各級所涉及的因素也是非常復雜的。一般來(lái)說(shuō)，更為有效和可靠的檢測慢速過(guò)電流方法是采用集成電流傳感器。

除了快速錯誤檢測，對短路做出有效和可靠的響應也是至關(guān)重要的。如果驅動(dòng)器用在多級應用中或者用于驅動(dòng)同步電機，主控制器應負責系統的關(guān)閉。在這種情況下，驅動(dòng)器只發(fā)送隔離錯誤信號到控制器并等待指令。例如，在多級應用中，如果驅動(dòng)器直接關(guān)斷功率半導體器件，然后發(fā)送信號給控制器，那么在整個(gè)信號傳輸和響應時(shí)間內，整個(gè)直流環(huán)節電壓可能施加在一個(gè)IGBT上。這將導致模塊的損壞。然而，在大部分應用中，讓驅動(dòng)器直接關(guān)斷功率模塊更加安全。驅動(dòng)器可以更迅速地作出響應，因為它無(wú)需等待信號傳輸過(guò)程完成，可從二次側獨立關(guān)斷模塊。驅動(dòng)器可確保關(guān)斷短路電流時(shí)避免產(chǎn)生電壓尖峰，通過(guò)一個(gè)軟關(guān)斷或二級關(guān)斷功能的途徑實(shí)現。此時(shí)，驅動(dòng)器關(guān)斷具有更大柵極電阻的IGBT會(huì )更慢，這樣可保護模塊，使其避免超出安全工作區（SOA）。

第二種快速錯誤模式是由電路引起的過(guò)電壓導致的。必須檢測關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓并將其迅速減小以防止IGBT模塊被損壞。電源電路中的雜散電感導致開(kāi)關(guān)浪涌，例如母線(xiàn)所導致的。外部引發(fā)的過(guò)電壓是緩慢的，可通過(guò)監控直流環(huán)節電壓更有效地控制。

3IGBT驅動(dòng)器的保護

驅動(dòng)器電子可以通過(guò)有源鉗位直接控制過(guò)電壓，也可以使用IntelliOff（智能關(guān)斷），一種用于減小臨界電壓尖峰的功能。

只要出現過(guò)電壓，有源鉗位讓IGBT重新導通。柵極充電過(guò)程基本上是由集電極和柵極間的中央單元控制的，以降低過(guò)電壓。

圖2有源鉗位電路圖

這里，過(guò)電壓值的最大值對應齊納電壓。晶體管再次工作在安全操作區內，但將儲存在Lk中的能量轉換為熱量。在此過(guò)程中，IGBT內部在很短的時(shí)間內產(chǎn)生大量的額外損耗。這些損耗加速了組件的老化過(guò)程并限制了變換器系統的可靠性。

防止發(fā)生過(guò)電壓的一種方法是使用IntelliOff關(guān)斷功能。結合對軟關(guān)斷幾乎是即時(shí)開(kāi)關(guān)響應的優(yōu)點(diǎn)，IntelliOff提供了優(yōu)化的關(guān)斷能力。得益于不同速度的柵極放電，關(guān)斷過(guò)程本身被IntelliOff優(yōu)化。首先，驅動(dòng)器啟動(dòng)IGBT關(guān)斷過(guò)程越快越好。只要關(guān)斷過(guò)程進(jìn)入過(guò)壓階段，驅動(dòng)器減慢關(guān)斷過(guò)程，在這種情況下主動(dòng)應對過(guò)電壓。最后，IGBT驅動(dòng)器安全可靠地關(guān)斷模塊。

圖3IntelliOff，積極主動(dòng)的過(guò)壓保護

只要關(guān)斷信號到來(lái)，驅動(dòng)器產(chǎn)生負的柵極電荷。柵極集電極和發(fā)射極電容的放電過(guò)程開(kāi)始，柵極電流達到其負峰值（period0）。由于米勒效應，其描述了電容容抗在關(guān)斷時(shí)的反饋過(guò)程，柵極發(fā)射極電壓在特定的時(shí)間（period1）內保持較高的電平。得益于小阻值的關(guān)斷電阻，IntelliOff縮短了放電時(shí)間，并允許該過(guò)程加速。在period2，大阻值電阻減慢關(guān)斷過(guò)程，這樣做避免了電路引起的電壓尖峰（period2）。如果沒(méi)有IntelliOff，在有源箝位的情況下，這一階段可能會(huì )出現過(guò)壓，產(chǎn)生額外的損耗。如果不采取合適的保護措施，最終可能會(huì )導致模塊的損壞。一旦危險的電壓尖峰時(shí)間過(guò)去了，驅動(dòng)器通過(guò)IntelliOff功能實(shí)現關(guān)斷電阻的并聯(lián)，確保IGBT被安全有效地關(guān)斷。得益于大小關(guān)斷電阻間的可調時(shí)間常數，簡(jiǎn)單的調整是可能的。

特別是新一代IGBT，具有非?？旌陀驳拈_(kāi)關(guān)特性。IntelliOff功能可確保無(wú)危險電壓尖峰風(fēng)險的快速關(guān)斷，并由此幫助確保新IGBT模塊的最佳性能。相比之下，替代的防護概念以限制IGBT模塊性能換取保護，這樣做會(huì )產(chǎn)生額外的損耗。

4結論

柵極驅動(dòng)器的理想保護取決于特定的應用。然而，一般來(lái)說(shuō)，在系統標注尺寸階段調查和分析錯誤機制是明智的。采用柵極驅動(dòng)器去永久性地補償非允許條件，不是一個(gè)有效的解決方案，再者也會(huì )降低可靠性。一個(gè)更加有效的過(guò)電壓保護方法是使用IntelliOff功能，可在第一時(shí)間防止出現電壓尖峰。VCE監測是一種可靠的短路檢測方法，相比di/dt檢測具有許多優(yōu)勢，因其可適應和適用于任何的標準模塊。

當今市場(chǎng)上有許多不同的驅動(dòng)器保護解決方案，從標準的保護功能到高度復雜的驅動(dòng)器解決方案。然而，采用簡(jiǎn)單的驅動(dòng)器解決方案，用戶(hù)必須自己集成保護功能，并為整個(gè)系統提供驅動(dòng)器保護。這會(huì )是相當昂貴的并且驅動(dòng)器保護往往被低估。相比之下，高度復雜的驅動(dòng)器解決方案往往存在不利之處，系統的實(shí)現相當復雜且使用壽命常常是受限的。一個(gè)最佳的驅動(dòng)解決方案必須滿(mǎn)足系統的可靠性要求，但也應把大規模生產(chǎn)應用的價(jià)格作為重要因素來(lái)考慮。

作者簡(jiǎn)介

JohannesKrapp，賽米控驅動(dòng)電子產(chǎn)品經(jīng)理?！?/p>