基于两级di/dt检测IGBT模块短路策略

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。

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VCE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VCE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VCE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VCE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VCE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，VCE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。

导读： 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。

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LeE，这个很小的寄生电感LeE在大的电流变化率下可以产生感应电压VeE[5]：

VeE即可反映出集电极电流IC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Vref1=7 V和Vref2=6 V来区分短路状态(Vref1为第一级di/dt检测阈值、Vref2为第二级di/dt检测阈值且Vref1>Vref2)，在igbt开通信号到来时，Vref1和Vref2均小于采样电压Vsam。当采样电压Vsam小于短路检测阈值Vref2时，可判断模块发生一类短路；当采样电压Vsam仅小于短路检测阈值Vref1时，可判断模块发生二类短路。

当igbt发生一类短路后，IC迅速增大，1 μs内就可达到数kA，如此大的di/dt在LeE上产生的VeE较大且绝对值可以达到18 V。此时Vref1和Vref2均大于采样得到的电压Vsam，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VeE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，VeE的绝对值较小，即得到的采样电压Vsam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。

导读： 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。

传统使用VCE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，VCE需要较高的阈值，这使得驱动器只能在igbt退饱和时的VCE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VCE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VCE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VCE检测短路的波形。VCE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。

导读： 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。

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。

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