IGBT短路保護電路的原理介紹

以風電變流器為例，來看看IGBT短路保護電路的原理。

短路保護的原理

1、SCSOA和短路維持時間

IGBT短路保護的目的是，在IGBT發生短路，在IGBT損壞前及時地將IGBT關斷，并將短路電流和保護關斷時的I-U運行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區域(SCSOA)。短路時間的增加會使得SCSOA減小，同時SCSOA還與外電路布線電感和廠家的工藝結構有關。由于雜散電感的存在，短路大電流時，IGBT的I-U運行軌跡很容易超出SCSOA的范圍，從而導致IGBT失效。

退飽和檢測技術普遍地用來監測IGBT短路情況。采用退飽和保護驅動時，IGBT的短路維持時間為tw=10us。此期間，IGBT保護電路應快速、準確地檢測到短路故障，并在允許時間內關斷IGBT，來達到保護IGBT的目的。

2、短路電流

IGBT短路時，uce緩慢上升至母線電壓，較大的跨導gfs增加了Isc(線性區時，有這樣一個公式：Ic=(Vge-Vth)*gsf)，并且有明顯的過沖，短路維持時間越長，IGBT的開關和傳導損耗就越大。此時，門極驅動必須快速關斷具有較低短路維持時間的IGBT器件。唯一的辦法就是降低Vge，使其低于閾值電壓。在有源鉗位的作用下，uce快速達到鉗位電壓，抑制故障時的Isc。過大的Isc可能會引起IGBT器件發生鎖定效應或過電壓擊穿，Isc超過IGBT內部寄生晶閘管結構的擎住電流時就會發生鎖定效應，此時IGBT會失去門極的關斷能力。故限制Isc的幅值可以有效地防止鎖定效應。同時較大的di/dt在電路雜散電感的作用下會產生很高的過電壓，可能會導致IGBT的擊穿，緩慢降低Vge可以避免此情況。

3、短路保護電路分析

基本框架圖如下所示

在該電路中，通過檢測uce來監視IGBT的短路和過電流。原理是，當流過IGBT的電流過大時，通態壓降會急劇上升。當發生短路時，通過uce監視使能邏輯來進行保護。IGBT導通時檢測uce，如果期間內uce超過了預先設定的值，就會產生一個故障信號，通過內部軟件

來平滑地關斷IGBT。電路地電壓設定值和延遲時間可以通過外部的RC回路中的電阻和電容來設定。

發生短路時，IGBT集電極退飽和，圖中的a點電位升高。當uce超過設定的門檻電壓時，故障檢測點視為低電平，輸出故障信號，并經過觸發邏輯電路的判斷后，閉鎖觸發脈沖，使得輸出到門極驅動放大電路中的驅動信號也變為低電平。在軟關斷電阻的作用下，IGBT的Vge緩慢下降，抑制電壓過沖。

正常情況下，電壓門檻值為高阻抗，在uce監視使能邏輯下比較器的輸出為高電平。

短路保護電路中，還包含有源鉗位的功能，即當發生短路時，uce快速增大，并產生一個非常大的過壓，但在鉗位二極管的作用下，使其穩定在鉗位二級管的電壓，抑制了uce的過沖，防止IGBT擊穿。有源鉗位一般由3個鉗位瞬態抑制二極管和一個穩壓管組成(當然，具體還需要根據使用的IGBT的規格來進行調整)。

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