解析IGBT在系统中的短路及其保护

时间： 2024-10-22 来源：瑶芯微电子公众号

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IGBT,AK1B65A005KHT,AK1B65A020FHT,AK1B65A030FHT

IGBT是由MOSFET和BJT复合而成，相比于其他大功率开关器件，IGBT具有小驱动功率、大电流、无二次击穿效应且易于并联的优势。因此，IGBT广泛应用于白家电、伺服电机和新能源发电系统。然而，在一些特殊工况下发生过流或短路时，器件流过的电流为正常额定值的数倍，器件管芯结温迅速升高，进而导致器件损坏，因此外围电路或驱动必须快速判断并切断驱动信号。

当前业界根据短路发生的时间点与IGBT工作状态下的短路分为两类，第一类短路（SC1）和第二类短路（SC2）。

短路类型

SC1短路：IGBT开通前已经发生短路，即：IGBT沟道打开之前，IGBT处于截止状态，之后栅极电压Uge控制沟道打开，高压母线发出的大电流灌入到IGBT沟道。此时沟道中流通的电流即可认为是IGBT的短路电流，短路时相关波形如图1所示。

图1 SC1短路波形

由此发生的短路电流随时间和温度变化，由于温度Tvj升高，跨导会下降，则短路电流Isc下降；另一方面，发生短路时短路电流也是栅极电压的函数，图2给出了瑶芯1200V 75A IGBT栅极电压、短路电流和最大短路时间的关系。

图2 栅极电压、短路电流和最大短路时间的关系

SC2短路：IGBT开通后发生短路是指IGBT的在导通的过程中，集电极-发射极两端压降Uce从低导通电压（饱和电压）状态迅速进入退饱和电压状态，此时几乎承受全部母线电压Udc以及换流路径杂感引起的电压尖峰之和。比如IGBT常应用于半桥结构，在上下管换流过程中，通常会因串扰导致误导通造成桥臂内短路（直通），这种情况下短路回路中的电感量较小（一般几十nH），IGBT产生巨大的电流，瞬间产生大量的热，从而损坏芯片和封装材料，甚至烧毁。

图3 SC2短路栅极电压、饱和电压、短路电流波形

这种电压突变会给栅极密勒电容充电，其可能导致栅极电压进一步升高，根据IGBT的跨导，集电极电流进一步增大。基于以上两种短路工况，必须采取迅速精准的保护方案。

短路保护方法

检测通态压降Uce：

- 原理：正常工作时，IGBT处于导通状态的饱和区，此时Uce较低，一般为1.5V左右。当发生短路故障时，IGBT的集电极电流急剧上升，退出饱和区进入线性工作区，导致Uce电压快速升高。通过监测Uce的电压值变化，可以判断IGBT是否发生短路。

- 保护动作：当检测到Uce电压超过设定的保护阈值，保护电路立即采取行动。一种方式是将驱动电压降为较低的值（如8V），使IGBT由饱和状态转入放大区，通态电阻增大，短路电流下降。经过一段时间（如4μs）连续检测Uce，如果恢复正常，将驱动电压恢复正常；如果Uce未恢复正常，则关断驱动信号，使集电极电流减为零，实现短路电流软关断，避免快速关断造成的过大di/dt损坏IGBT。

母线分流电阻检测法：

- 原理：在母线上串联一个小电阻，当电路中发生短路时，会有较大的电流流过该电阻，在电阻两端产生电压降。通过测量这个电压降，可以判断是否发生短路故障。

- 优缺点：这种方法的优点是准确性和灵敏度较高，能够检测到母线电路的短路情况；缺点是只适用于小功率的设备，对于大电流的应用场景，电阻上的功率消耗过大，可能会导致电阻过热甚至损坏。

输出霍尔检测法：

- 原理：利用霍尔传感器来检测IGBT输出端的电流。霍尔传感器可以将电流信号转换为与之成比例的电压信号，通过对电压信号的监测来判断电流是否超过正常范围，从而确定是否发生短路故障。

- 优缺点：霍尔传感器的响应速度较快，能够实时监测电流变化；但是其成本相对较高，并且在安装和使用过程中需要注意磁场干扰等问题，否则可能会影响检测的准确性。

光耦保护法：

- 原理：通过检测IGBT的Uce ，根据Uce与集电极电流Ic的关系，当Ic快速上升时，Uce也会随之上升。当Uce值上升到保护点电压时，光耦会自动关断，并发送错误信号给控制电路，触发保护动作。

- 特点：这种保护方式的灵敏度较高，但精度相对较差，通常只适用于短路保护。

综上所述，IGBT的短路保护是一个复杂但至关重要的领域，涉及多个层面的保护措施，包括硬件设计、栅极驱动策略和软件控制技术。通过这些方法，可以确保IGBT在面对短路情况时能够迅速响应，从而保护整个系统不受损害。

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