基于两级di/dt检测IGBT模块短路策略-AET-电子技术应用

基于两级di/dt检测IGBT模块短路策略

2016年电子技术应用第6期

王亮亮1，2，杨媛1，高勇1，2，文阳1，2，马丽1

1.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安710048；2.西安工程大学电子信息学院，陕西西安710048

摘要： 为了解决传统VCE在检测大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的短路故障时存在的问题，在分析了IGBT短路特性的基础上，提出了一种基于两级电流变化率(di/dt)检测IGBT两类短路故障的策略。该策略可以使驱动器更早地采取保护措施，限制IGBT的短路电流和短路功耗，减小关断尖峰电压。基于3 300 V/1 200 A IGBT模块的短路实验结果证明了该策略的有效性和可行性。

关键词： IGBT 短路特性检测电路

中图分类号： TN386.2
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.013
中文引用格式： 王亮亮，杨媛，高勇，等. 基于两级di/dt检测IGBT模块短路策略[J].电子技术应用，2016，42(6)：49-51，58.
英文引用格式： Wang Liangliang，Yang Yuan，Gao Yong，et al. Short-circuit strategy of IGBT module based on two levels di/dt detection[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：49-51，58.

Short-circuit strategy of IGBT module based on two levels di/dt detection

Wang Liangliang1，2，Yang Yuan1，Gao Yong1,2，Wen Yang1，2，Ma Li1

1.Department of Electronics Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an 710048，China； 2.Department of Electronics & Information，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China

Abstract： In order to solve the existing problems of the traditional VCE in detecting the short-circuit fault of high power IGBT module, on the basis of analyzing IGBT short-circuit characteristic, a strategy based on two levels di/dt for detecting IGBT two types short-circuit fault is proposed in this paper. It enables the driver to take protective measures much earlier with limiting IGBT short circuit current and short circuit power consumption, reducing spike voltage. The results of short-circuit experiment based on 3 300 V/1 200 A IGBT module prove that the strategy proposed is effective and feasible.

Key words : IGBT；short-circuit characteristic；detection circuit

0 引言

IGBT是一种先进的功率开关器件，兼有GTR高电流密度、低饱和电压和高耐压的优点以及MOSFET高输入阻抗、高开关频率、单极型电压驱动和低驱动功率的优点^[1]。近年来，IGBT已经在汽车电子、机车牵引和新能源等各个领域获得广泛的应用。由于大功率IGBT模块通常工作在高压大电流的条件下，在系统运行的过程中，IGBT模块会出现短路损坏的问题，严重影响其应用。因此，IGBT短路检测与保护是其中的一项关键技术。而大功率IGBT模块的短路检测和保护方法，一般是使用V_CE退饱和检测，再配合适当的软关断电路进行保护^[2-3]。但使用V_CE退饱和检测时，则需要较长时间(1~8 μs)的检测盲区和较高的集电极-发射极电压检测阈值。较长时间的检测盲区是为了防止IGBT在正常开通时进行误检测，但当IGBT发生一类短路时，集电极电流迅速上升，IGBT一直工作在线性区，较长的短路检测盲区时间不仅不利于限制IGBT的短路电流和功耗，而且可能导致IGBT短路超过其10 μs的安全工作时间而损坏。

本文根据IGBT的短路特性和大功率IGBT模块的结构特点设计了一种新型大功率IGBT模块的短路检测电路，采用两级di/dt检测IGBT两类短路状态的实用方法。两级di/dt可在V_CE的检测盲区时间内快速检测出一类短路故障和二类短路故障。本方案可有效减小IGBT短路工作时间，限制IGBT的短路电流和功耗，最佳保护IGBT模块。

1 IGBT短路的定义

IGBT短路时的数学表达式见式(1)，这个线性方程表示在短路发生时，电流的绝对值与电压、回路中的电感量及整个过程持续的时间有关系。绝大部分的短路，母线电压都是在额定点的，影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。因此依据短路回路中的电感量，可将短路分为一类短路和二类短路。

一类短路是指IGBT本身处于已经短路的负载回路中，短路回路中的电感量很小(100 nH级)，比如桥臂直通。IGBT发生一类短路后的工作特性如图1(a)所示。当IGBT导通时，直流母线的所有电压都集中在IGBT上，集电极电流迅速上升，此时短路电流上升速率只由功率驱动电路决定，大功率IGBT模块的一类短路电流上升率有数kA/μs。由于短路回路中寄生电感的存在，其表现为集电极-发射极电压V_CE小幅下降后又上升并短暂地超过母线电压，之后稳定在直流母线电压。门极电压在电流上升到最大值时会超过驱动电压，之后稳定在驱动电压。

二类短路是指IGBT在导通状态下发生短路，这类短路回路中的电感量是不确定的(μH级)，比如相间短路或相对地短路。IGBT发生二类短路后的工作特性如图1(b)所示。IGBT先工作在饱和区，在IGBT模块电流不断上升的同时V_CE也随着升高，只是上升幅度极小不易观察到。当IGBT电流继续上升到一定值时，IGBT开始进入退饱和区，V_CE快速上升并短暂地超过母线电压，最终稳定在直流母线电压。与一类短路相比，IGBT将受到更大的冲击。

IGBT发生短路时的电流是额定电流的8~10倍^[4]。如果不能够快速地检测到短路故障，同时配合适当的软关断保护措施，IGBT将会被损坏。

2 两级di/dt检测短路原理

封装后的IGBT模块内部有两个发射极，一个是辅助e极，另一个是功率E极，辅助e极和功率E极之间有一个小于10 nH的寄生电感L_eE，这个很小的寄生电感L_eE在大的电流变化率下可以产生感应电压V_eE^[5]：

V_eE即可反映出集电极电流I_C的变化率。图2所示为IGBT短路检测原理图，设置了两个短路检测阈值V_ref1=7 V和V_ref2=6 V来区分短路状态(V_ref1为第一级di/dt检测阈值、V_ref2为第二级di/dt检测阈值且V_ref1>V_ref2)，在IGBT开通信号到来时，V_ref1和V_ref2均小于采样电压V_sam。当采样电压V_sam小于短路检测阈值V_ref2时，可判断模块发生一类短路；当采样电压V_sam仅小于短路检测阈值V_ref1时，可判断模块发生二类短路。

当IGBT发生一类短路后，I_C迅速增大，1 μs内就可达到数kA，如此大的di/dt在L_eE上产生的V_eE较大且绝对值可以达到18 V。此时V_ref1和V_ref2均大于采样得到的电压V_sam，超过第二级di/dt的阈值，相应的比较器将输出短路信号送给前级CPLD，从而采取适当的软关断措施关断IGBT模块。显然，di/dt不需要检测盲区时间，只要电流一开始上升，就可通过采样V_eE电压判断IGBT是否发生短路，从而达到最佳的保护方式。

当IGBT发生二类短路后，电流上升率主要受母线电压和负载影响，上升速率低于一类短路的电流上升率。此时，V_eE的绝对值较小，即得到的采样电压V_sam小，不适合采用同一级di/dt进行检测。而第一级di/dt检测就可以最佳地解决二类短路的检测。当IGBT发生二类短路后，集电极电流先快速上升，然后VCE也开始上升直至母线电压。通过设置合适的第一级di/dt检测阈值就可以准确地检测到IGBT模块发生的二类短路，驱动器采取适当的软关断措施关断IGBT模块，最佳地保护IGBT模块。

传统使用V_CE进行短路检测时，因需兼顾检测一类短路和二类短路的需要，V_CE需要较高的阈值，这使得驱动器只能在IGBT退饱和时的V_CE快速上升阶段检测到IGBT的短路状态。利用两级di/dt分别检测两类短路，会在V_CE检测盲区时间内就检测到两类短路状态。因此，无论是一类短路还是二类短路，利用两级di/dt检测短路的方法，通过设置合适的检测阈值，都拥有更快的检测速度从而最佳地保护IGBT模块。

需要注意的是两级di/dt分别检测IGBT模块的两类短路需配合适当的软关断电路才能发挥其快速检测IGBT模块短路的优势。当驱动器快速检测到IGBT发生短路后不能立即直接关断IGBT模块，因为此时电流还在不断上升，如果直接关断IGBT模块将会产生非常高的电压尖峰，会危及IGBT的安全。若使用硬关断，则需等待V_CE上升至母线电压方可动作；若使用软关断，可立即动作，缓慢降低门极电压，电流会逐渐降低，此时VCE上升速率会加快，但产生的过压会非常小。

3 实验结果与分析

为验证本文所设计的短路检测策略较传统短路检测方法的优越性，使用3 300 V/1 200 A IGBT模块进行短路实验^[5]，在实验中将母线电压调整为1 500 V。

图3(a)为一类短路测试原理图，电网电压经过调压器和整流桥，将母线电容电压充到1 500 V，上管IGBT的门极被-15 V关断，且用粗短的铜排将其短路。对下管的IGBT释放一个12 μs的单脉冲，直通就形成一类短路。图3(b)为二类短路测试原理图，将母线电容电压同样充到1 500 V，上管IGBT的门极被-15 V关断，且给上管并联一个4 μH的电感作为负载，下桥臂通过IGBT驱动器释放一个15 μs的单脉冲就形成二类短路。

图4为传统使用V_CE检测短路的波形。V_CE检测阈值为4 V，短路检测盲区时间8 μs。图4(a)为一类短路的测试波形，由图可知，验证所用IGBT模块发生一类短路后开通4 μs时电流上升到最大值6.12 kA，短路持续时间约8 μs，短路损耗约60 J。图4(b)为二类短路测试波形，由波形可知，发生二类短路后开通约14 μs电流上升到最大值6.80 kA，短路损耗约12 J。

图5为本文设计的两级di/dt分别检测两类短路的波形。通过观察图5(a)实验波形可知，发生一类短路后开通约2.4 μs时，第二级di/dt已检测出一类短路状态并将短路信号送给前级CPLD，驱动器采取相应的软关断措施将电流最大值限制在3.16 kA，短路持续时间为2 μs，短路损耗约5 J。通过对比分析图4(a)和图5(a)可知，图5(a)的短路时间、短路电流和短路损耗远小于图4(a)。观察图5(b)二类短路实验波形可知，开通约5.6 μs，第一级di/dt立刻检测出二类短路状态，驱动器立即采取相应的软关断保护措施将电流最大值限制在4.2 kA，短路损耗约7 J。显而易见，短路时间、短路电流和短路损耗也比图4(b)小的多。

通过实验波形分析对比可知，两级电流变化率(di/dt)检测两类短路故障，可在传统VCE退饱和短路检测方法的检测盲区时间内就检测到短路故障，使IGBT驱动器有充足的反应时间。再结合相应的软关断保护策略，大大减小了IGBT的短路时间、短路电流，降低了短路功耗，最佳地保护了IGBT模块。

4 结论

本文根据IGBT的短路特性和大功率IGBT模块的结构特点，提出一种采用两级di/dt分别检测IGBT两类短路故障的实用新方法。该方案可快速检测IGBT的短路故障，使驱动器能够提早对短路故障做出响应，可靠有效地保护IGBT模块。通过调节两级di/dt的检测阈值，该方案还可以应用于多种等级的大功率IGBT模块的短路检测，保证IGBT系统的正常运行。

参考文献

[1] 周志敏，周纪海，纪爱华.IGBT和IPM及其应用电路[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[2] 范立荣，张凯强.一种适合中频感应加热电源的IGBT驱动技术[J].微型机与应用，2014，33(8)：22-25.

[3] 白娅梅，李钰玺，张亚军.基于2SC0108T的IGBT驱动器设计[J].电子技术应用，2011，37(2)：67-70.

[4] 文阳，杨媛，高勇.基于2SC0535的大功率IGBT驱动保护电路设计[J].电子技术应用，2014，40(9):34-36，40.

[5] Wang Zhiqiang，Shi Xiaojie，TOLBERT L M，et al.A di/dt feedback-based active gate driver for smart switching and fast overcurrent protection of IGBT modules[J].Power Electronics，IEEE Transactions on，2014，29(7)：3720-3732.

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