IGBT是高頻開關(guān)器件，芯片內(nèi)部的電流密度大。當發(fā)生過流或短路故障時，器件中流過的大于額定值的電流時，極易使器件管芯結(jié)溫升高，導致器件燒壞。今天我們就來聊聊IGBT的過流和短路保護。

短路與過流之前我們介紹過IGBT的短路測試，今天我們來聊聊IGBT短路和過流時該如何保護。首先一點，對IGBT的過流或短路保護響應時間必須快，必須在10us以內(nèi)完成。一般來說，過電流是IGBT電力電子線路中經(jīng)常發(fā)生的故障和損壞IGBT的主要原因之一，過流保護應當首先考慮。

過流與短路保護是兩個概念，它們既有聯(lián)系也有區(qū)別。過流大多數(shù)是指某種原因引起的負載過載;短路是指橋臂直通，或主電壓經(jīng)過開關(guān)IGBT的無負載回路，它們的保護方法也有一定區(qū)別。如過流保護常用電流檢也傳感器，短路保護常通過檢測IGBT飽和壓降，配合驅(qū)動電路來實現(xiàn)。不同的功率有不同的方法來實現(xiàn)過流或短路保護。短路分為一類及二類兩種，但這兩種短路都有一個共同點，那就是，IGBT會出現(xiàn)“退飽和現(xiàn)象”，當IGBT一旦退出飽和區(qū)，它的損耗會成百倍的往上升，那么允許持續(xù)這種狀態(tài)的時會非?？量塘?，只有10us，我們需要靠驅(qū)動器發(fā)現(xiàn)這一行為并關(guān)掉門極。IGBT過流的情況則是，回路電感較大，電流爬升很慢(相對于短路)，IGBT不會發(fā)生退飽和現(xiàn)象，但是由于電流比正常工況要高很多，因此經(jīng)過若干個開關(guān)周期后，IGBT的損耗也會比較高，結(jié)溫也會迅速上升，從而導致失效。在這時，IGBT驅(qū)動器一般是不能及時發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的，因為IGBT的飽和壓降的變化很微弱，驅(qū)動器通常識別不到這種變化。所以需要靠電流傳感器來感知電流的數(shù)值，對系統(tǒng)進行保護。

所以，我們認為，IGBT驅(qū)動器是為了解決短路保護，而過流保護則是由電流傳感器來完成。

IGBT發(fā)生短路時，描述短路電流的數(shù)學表達式如下，這是一個線性方程。它表示，在短路發(fā)生時，電流的絕對值與電壓，回路中的電感量，及整個過程持續(xù)的時間有關(guān)系。

絕大部分的短路母線電壓都是在額定點的影響短路電流的因素主要是“短路回路中的電感量”。因此對短路行為進行分類定義時，短路回路中的電感量是主要的分類依據(jù)。

如果短路回路中的電感量再繼續(xù)增大，那么電流變化率就變得更低，此時就不是短路了，變成“過流”了。這時驅(qū)動器是察覺不到這種異常狀態(tài)的，因此在系統(tǒng)中需要電流傳感器來感知電流的絕對數(shù)值，從而進行“過流保護”。我們認為，通常IGBT驅(qū)動器是不能進行過流保護的。

二類短路與過流之間沒有明顯的界限，學術(shù)上沒有進行定義，在工程上，可以做一個很粗略的假設：10A/us以下的電流變化率視為“過流”。

一類短路

發(fā)生一類短路時，IGBT的電流會 Vge電壓波形快速上升，當電流上升到一定數(shù)值時，(一般為4倍額定電流)，IGBT會發(fā)生退飽和現(xiàn)象其標志是IGBT的電壓會迅速上升至直流母線電壓。

當IGBT退出飽和區(qū)后IGBT的電短路電流波形，流為4倍額定電流(此倍數(shù)與芯片類型有關(guān))，電壓為母線電壓，(外電路的所有電動勢都壓在IGBT上)，IGBT芯片的損耗非常大，根據(jù)規(guī)格書，其最多能耐受10us的短路狀態(tài)。驅(qū)動器需要在此時間內(nèi)把IGBT關(guān)掉，此時的關(guān)斷是完全安全的。

二類短路

發(fā)生二類短路時 由于回路的電感量稍大，電流爬升的速度慢了一些(比一類短路慢，但實際還是很快的)，門極脈沖打開時，IGBT的Vce下降至飽和壓降，隨著電流進一步加大，飽和壓降輕微上升;當電流到達“退飽和點”時，Vce迅速上升至直流母線電壓，我們把Vce上升的過程稱為“退飽和”行為。當IGBT退出飽和區(qū)后，其損耗要比未退飽和前高數(shù)百倍，因為Vce從幾伏上升至幾百伏，而電流則沒有明顯變化。從退飽和算起，10us內(nèi)必須關(guān)斷IGBT。

另外，還需要注意的是，當IGBT電流上升的過程中，Vge也在上升，這是由于米勒效應，IGBT在短路時，門極電壓有被向上抬升的趨勢。

短路和過流保護

IGBT發(fā)生短路時，電流上升至4倍額定電流以上，最終IGBT是要將這個電流關(guān)斷掉的，這時的電流的數(shù)值比平常變流器額定工作時的電流高了很多，所以此時產(chǎn)生的電壓尖峰也是非常高的。為了防止電壓尖峰損壞IGBT，還需要引入我們昨天聊過的電路——有源鉗位電路，但并不是所有的驅(qū)動電路都需要配備有源鉗位功能，容量比較大的IGBT，就比較有必要配置此電路。

下面我們簡單地介紹下常用的過流和保護措施：

小功率IGBT模塊

對于小功率IGBT模塊，通常采用直接串電阻的方法來檢測器件輸出電流，從而判斷過電流故障，通過電阻檢測時，無延遲;輸出電路簡單;成本低;但檢測電路與主電路不隔離，檢測電阻上有功耗，因此，只適合小功率IGBT模塊。比如：5.5KW以下的變頻器。

中功率IGBT模塊

中功率IGBT模塊的電流檢測與過流、短路保護，一種方法是仍然采用電阻檢測法，為了降低電阻產(chǎn)生功耗及發(fā)熱生產(chǎn)的影響，可把帶散熱器件的取樣電阻固定在散熱器上，以測量更大的電流。

中、大功率IGBT模塊

對于大、中功率IGBT模塊的電流檢測與過流保護常采用電流傳感器。但需注意要選擇滿足響應速度要求的電流傳感器。由于需要配置檢測電源，成本較高，但檢測電路與主電路隔離，適用于大功率的IGBT模塊。保護電路動作的時間須在10us之內(nèi)完成。

通過檢測IGBT飽和壓降實現(xiàn)短路保護

IGBT通常工作在逆變橋上，并處于開關(guān)工作狀態(tài)，若設計不當，易于發(fā)生短路現(xiàn)象。對于短路保護，常用的方法是通過檢測IGBT的飽和壓降Vce(sat)來實現(xiàn)短路保護，它往往配合驅(qū)動電路來實現(xiàn)，其基本原理如下圖所示：

當過流或者短路發(fā)生時，設定一個參考電壓Vref，一旦通過快恢復二極管檢測的Vce(sat) ≥Vref時，保護電路動作，保護電路必須在10us之內(nèi)將IGBT關(guān)斷。采用先降低柵電壓的方法，實現(xiàn)軟關(guān)斷，可以減少IGBT的關(guān)斷應力，甚至延長保護電路動作時間。

對于過流、過壓問題的保護，大家可以多在實際工作中結(jié)合具體產(chǎn)品去了解，不同的行業(yè)的不同產(chǎn)品采用的方案各有不同，考慮的側(cè)重點也會不一樣，大家多結(jié)合身邊的案例去思考。

今天的內(nèi)容希望你們能夠喜歡。