一文详解IGBT的过流和短路保护

IGBT是高频开关器件，芯片内部的电流密度大。当发生过流或短路故障时，器件中流过的大于额定值的电流时，极易使器件管芯结温升高，导致器件烧坏。今天我们就来聊聊IGBT的过流和短路保护。

短路与过流之前我们介绍过IGBT的短路测试，今天我们来聊聊IGBT短路和过流时该如何保护。首先一点，对IGBT的过流或短路保护响应时间必须快，必须在10us以内完成。一般来说，过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障和损坏IGBT的主要原因之一，过流保护应当首先考虑。

过流与短路保护是两个概念，它们既有联系也有区别。过流大多数是指某种原因引起的负载过载;短路是指桥臂直通，或主电压经过开关IGBT的无负载回路，它们的保护方法也有一定区别。如过流保护常用电流检也传感器，短路保护常通过检测IGBT饱和压降，配合驱动电路来实现。不同的功率有不同的方法来实现过流或短路保护。短路分为一类及二类两种，但这两种短路都有一个共同点，那就是，IGBT会出现“退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的往上升，那么允许持续这种状态的时会非常苛刻了，只有10us，我们需要靠驱动器发现这一行为并关掉门极。IGBT过流的情况则是，回路电感较大，电流爬升很慢(相对于短路)，IGBT不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况要高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT的损耗也会比较高，结温也会迅速上升，从而导致失效。在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT的饱和压降的变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化。所以需要靠电流传感器来感知电流的数值，对系统进行保护。

所以，我们认为，IGBT驱动器是为了解决短路保护，而过流保护则是由电流传感器来完成。

IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下，这是一个线性方程。它表示，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”。因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。

如果短路回路中的电感量再继续增大，那么电流变化率就变得更低，此时就不是短路了，变成“过流”了。这时驱动器是察觉不到这种异常状态的，因此在系统中需要电流传感器来感知电流的绝对数值，从而进行“过流保护”。我们认为，通常IGBT驱动器是不能进行过流保护的。

二类短路与过流之间没有明显的界限，学术上没有进行定义，在工程上，可以做一个很粗略的假设：10A/us以下的电流变化率视为“过流”。

一类短路

发生一类短路时，IGBT的电流会 Vge电压波形快速上升，当电流上升到一定数值时，(一般为4倍额定电流)，IGBT会发生退饱和现象其标志是IGBT的电压会迅速上升至直流母线电压。

当IGBT退出饱和区后IGBT的电短路电流波形，流为4倍额定电流(此倍数与芯片类型有关)，电压为母线电压，(外电路的所有电动势都压在IGBT上)，IGBT芯片的损耗非常大，根据规格书，其最多能耐受10us的短路状态。驱动器需要在此时间内把IGBT关掉，此时的关断是完全安全的。

二类短路

发生二类短路时 由于回路的电感量稍大，电流爬升的速度慢了一些(比一类短路慢，但实际还是很快的)，门极脉冲打开时，IGBT的Vce下降至饱和压降，随着电流进一步加大，饱和压降轻微上升;当电流到达“退饱和点”时，Vce迅速上升至直流母线电压，我们把Vce上升的过程称为“退饱和”行为。当IGBT退出饱和区后，其损耗要比未退饱和前高数百倍，因为Vce从几伏上升至几百伏，而电流则没有明显变化。从退饱和算起，10us内必须关断IGBT。

另外，还需要注意的是，当IGBT电流上升的过程中，Vge也在上升，这是由于米勒效应，IGBT在短路时，门极电压有被向上抬升的趋势。

短路和过流保护

IGBT发生短路时，电流上升至4倍额定电流以上，最终IGBT是要将这个电流关断掉的，这时的电流的数值比平常变流器额定工作时的电流高了很多，所以此时产生的电压尖峰也是非常高的。为了防止电压尖峰损坏IGBT，还需要引入我们昨天聊过的电路——有源钳位电路，但并不是所有的驱动电路都需要配备有源钳位功能，容量比较大的IGBT，就比较有必要配置此电路。

下面我们简单地介绍下常用的过流和保护措施：

小功率IGBT模块

对于小功率IGBT模块，通常采用直接串电阻的方法来检测器件输出电流，从而判断过电流故障，通过电阻检测时，无延迟;输出电路简单;成本低;但检测电路与主电路不隔离，检测电阻上有功耗，因此，只适合小功率IGBT模块。比如：5.5KW以下的变频器。

中功率IGBT模块

中功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护，一种方法是仍然采用电阻检测法，为了降低电阻产生功耗及发热生产的影响，可把带散热器件的取样电阻固定在散热器上，以测量更大的电流。

中、大功率IGBT模块

对于大、中功率IGBT模块的电流检测与过流保护常采用电流传感器。但需注意要选择满足响应速度要求的电流传感器。由于需要配置检测电源，成本较高，但检测电路与主电路隔离，适用于大功率的IGBT模块。保护电路动作的时间须在10us之内完成。

通过检测IGBT饱和压降实现短路保护

IGBT通常工作在逆变桥上，并处于开关工作状态，若设计不当，易于发生短路现象。对于短路保护，常用的方法是通过检测IGBT的饱和压降Vce(sat)来实现短路保护，它往往配合驱动电路来实现，其基本原理如下图所示：

当过流或者短路发生时，设定一个参考电压Vref，一旦通过快恢复二极管检测的Vce(sat) ≥Vref时，保护电路动作，保护电路必须在10us之内将IGBT关断。采用先降低栅电压的方法，实现软关断，可以减少IGBT的关断应力，甚至延长保护电路动作时间。

对于过流、过压问题的保护，大家可以多在实际工作中结合具体产品去了解，不同的行业的不同产品采用的方案各有不同，考虑的侧重点也会不一样，大家多结合身边的案例去思考。

今天的内容希望你们能够喜欢。