IGBT短路保護(hù)的控制策略分析

陳永真

(遼寧工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,遼寧 錦州 121001)

1 引言

隨著IGBT應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,IGBT的應(yīng)用環(huán)境也越來越惡劣,甚至?xí)r(shí)常出現(xiàn)過電流甚至短路現(xiàn)象。從可靠性角度考慮,對于電力電子設(shè)備而言,不允許出現(xiàn)負(fù)載短路時(shí)燒壞功率半導(dǎo)體器件。

傳統(tǒng)的電力半導(dǎo)體器件如晶閘管、整流二極管的短路保護(hù)的基本方法:利用在交流側(cè)串接適當(dāng)電感量的電抗器來限制短路電流峰值,通過熔斷快速熔斷器的方式,在晶閘管、整流二極管燒壞前切斷供電回路或短路回路,最終消除短路電路對晶閘管、整流二極管的危害;在交流側(cè)串接適當(dāng)電感量的電抗器的第2個(gè)作用是限制短路電流的上升速率,延緩短路現(xiàn)象的進(jìn)程,為封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖進(jìn)而為在不損壞元件的條件下切斷電路回路提供足夠的時(shí)間。

應(yīng)用晶閘管、整流二極管的電力電子變流設(shè)備之所以能夠在交流側(cè)串接適當(dāng)電感量的方式作為短路保護(hù)的基礎(chǔ),其原因是因?yàn)榫чl管整流二極管的關(guān)斷方式為陽極電壓過零變負(fù),即電網(wǎng)換相的原因。如果晶閘管變流設(shè)備采用負(fù)載諧振換相或強(qiáng)迫換相時(shí),則需要利用其它電路環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。由于電網(wǎng)頻率僅為50 Hz,交流回路中存在一定的電感量對變流器性能的影響還是可以接受的。

與晶閘管、整流二極管不同的是,由于IGBT工作在硬關(guān)斷工作模式。在IGBT的關(guān)斷過程中,其電流變化速率di/dt非常高,通?？梢赃_(dá)每μ s到數(shù)百安甚至上千安的電流變化速率。如果回路中僅有1 μ H的寄生電感,就會(huì)在IGBT的關(guān)斷過程中產(chǎn)生數(shù)百甚至上千伏的沖擊電壓。從盡可能降低IGBT關(guān)斷過程的沖擊電壓角度考慮,要求直流母線的寄生電感盡可能低;另一方面,從抑制電流角度考慮,僅1 μ H 的寄生電感在 1μs內(nèi)電流就可以變化數(shù)百甚至上千安培,根本沒有電路電流抑制能力。

綜上所述,如何很好地解決IGBT短路保護(hù)是IGBT可靠工作必須考慮的。

2 短路模式下的IGBT工作狀態(tài)

在短路工作模式下,首先要考慮IGBT的工作狀態(tài)。如果在短路工作狀態(tài)下IGBT還是像晶閘管、整流二極管那樣處于飽和導(dǎo)通狀態(tài),短路電流值會(huì)由于直流回路中的電感量極小而變得極大,這對于IGBT的制造工藝和電力電子電路是絕對不允許的。因此,在短路工作狀態(tài)下,IGBT只能工作在“放大區(qū)”來限制短路電流。

為了確保短路工作狀態(tài)下IGBT的短路電流不至于過大,同時(shí)又要保證IGBT正常工作時(shí)的通態(tài)電壓不至于偏高,具有“短路安全工作區(qū)”的IGBT的15 V柵極驅(qū)動(dòng)電壓下短路電流值一般為額定電流的5～10倍,為器件固有特性。降低柵極電壓,短路電流值降低,短路電流越低,對IGBT的沖擊越小。

由于短路工作狀態(tài)下IGBT工作在“放大”區(qū),因此IGBT將同時(shí)承受短路電流和直流母線電壓,其功耗為正常工作狀態(tài)的數(shù)千倍。例如EUPEC的1200 V/100 A的IGBT在短路狀態(tài)下的短路安全工作區(qū)如圖1所示。

圖1 EUPEC的100GB120DN2K的短路安全工作區(qū)特性Fig.1 Sho rt circuit safe oprating area of 100GB120DN2K(EUPEC)

圖1a表示IGBT可以在10μs內(nèi)同時(shí)承受1200 V和10倍額定電流能力;圖1b表示IGBT全電壓電流范圍的輸出特性(實(shí)線為25℃,虛線為150℃),在VCE為1200 V柵極電壓為15 V時(shí),常溫時(shí)的集電極電流約為額定電流的8.8倍,即8800 A。這樣,在最嚴(yán)酷的條件下,所受到的功率沖擊將達(dá)到10560000 W,即10.560 MW。在功峰值功率沖擊下,10μs內(nèi)將有105 J能量轉(zhuǎn)化為熱量,使結(jié)溫將急劇上升到350℃的最高溫度,即便如此,IGBT也不損壞。

3 短路保護(hù)的時(shí)限

從IGBT短路狀態(tài)時(shí)所承受的電壓、電流和極高功率沖擊考慮,IGBT的短路持續(xù)時(shí)間越短越好。在實(shí)際應(yīng)用中,短路持續(xù)時(shí)間取決于短路保護(hù)電路的動(dòng)作時(shí)間。其中包括:避免二極管反向恢復(fù)效應(yīng)所造成的“假短路”需要的時(shí)間、檢測電路響應(yīng)時(shí)間、驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間和安全裕量等。

3.1 避免二極管反向恢復(fù)效應(yīng)所造成的“假短路”需要的時(shí)間

在過電流/短路狀態(tài)的檢測中,需要區(qū)分正常狀態(tài)下的續(xù)流二極管反向恢復(fù)沖擊電流與短路電流,時(shí)間延遲應(yīng)大于續(xù)流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。盡管IGBT的數(shù)據(jù)表中并沒有給出反向續(xù)流二極管的反向恢復(fù)峰值電流的數(shù)據(jù),但是從相同電壓、電流額定的超快反向恢復(fù)二極管的性能指標(biāo)間接分析,1200 V/100 A額定的IGBT中反向二極管在600 V反向電壓和1000 A/μ s條件下,大致為0.5μs的反向恢復(fù)時(shí)間和100～150 A 反向恢復(fù)峰值電流。這樣,在IGBT開通后,不僅要承受負(fù)載電流,還要承受續(xù)流二極管的反向恢復(fù)峰值電流。如果在這種狀態(tài)下檢測是否過電流,即使是電路正常工作狀態(tài)下,也必然是過電流甚至是短路的錯(cuò)誤檢測結(jié)果。過電流/短路檢測電路必須避開續(xù)流二極管的反向恢復(fù)過程。因此,IGBT開通后的1～2μs內(nèi)的過電流/短路的檢測信號是無效的,這樣就造成了大約2μs的時(shí)間延遲。

3.2 檢測電路響應(yīng)時(shí)間與信息處理時(shí)間

從恢復(fù)過電流/短路的檢測,到檢測與信息處理電路作出短路保護(hù)動(dòng)作同樣需要時(shí)間,其造成的時(shí)間延遲大約為1～2μs。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路的延遲時(shí)間

驅(qū)動(dòng)電路的輸入到輸出有一定的時(shí)間延遲(大約0.2μs以上),不僅如此,短路保護(hù)狀態(tài)下IGBT的關(guān)斷過程為慢關(guān)斷過程。因此,從檢測與信息處理電路作出短路保護(hù)指令起到IGBT的徹底關(guān)斷大約需要1～2μs。

3.4 安全裕量

除了上述時(shí)間延遲外,還要留有一定的安全裕量時(shí)間以確保IGBT在短路狀態(tài)下安全可靠的關(guān)斷。這樣,總的加起來整個(gè)電路的最小延遲時(shí)間大約需要 5～ 6μs,短于 10μs的IGBT 短路承受時(shí)間。

3.5 新型號IGBT短路持續(xù)時(shí)間的限定

根據(jù)以上分析,采用10μs短路持續(xù)時(shí)間雖然有效,但是會(huì)給IGBT帶來非常大的功率應(yīng)力的沖擊。在實(shí)際應(yīng)用中,1.9 V的導(dǎo)通電壓降要比3～3.5 V的導(dǎo)通電壓降更有利于降低IGBT導(dǎo)通損耗,因此新型號低速IGBT更注重導(dǎo)通電壓降的降低。隨著IGBT向低導(dǎo)通電壓降的發(fā)展,導(dǎo)通電壓降的降低將會(huì)與短路承受能力發(fā)生矛盾,因此新型號IGBT在短路安全工作區(qū)的持續(xù)時(shí)間降低為6μs,通過以上分析,這個(gè)時(shí)間完全夠用。即在與老型號IGBT的相同電壓下的短路條件下,IGBT的管芯溫升會(huì)從原來的350℃降到270℃,降低了短路對IGBT的熱應(yīng)力沖擊。

4 其它元件的過電流承受能力分析

除IGBT外,受到短路電流沖擊的還有直流母線緩沖電容器和整流濾波的電解電容器。在短路瞬間,首先承受釋放短路電流的是直流母線緩沖電容器。1 μ F/1200 V直流母線緩沖電容器可以承受500 A的重復(fù)峰值電流,單次不重復(fù)峰值電流可以更高,可以承受額定電流為 100 A的IGBT的短路沖擊;然而隨著直流母線緩沖電容器釋放短路電流,其端電壓急劇跌落,隨后整流濾波用的鋁電解電容器開始釋放短路電流,對于整流濾波用的鋁電解電容器能否承受如此高的沖擊電流作如下分析。

以額定溫度105℃的3300 μ F/450 V鋁電解電容器為例,在85℃時(shí)的額定電流和ESR一般在15～20 A和25～30 mΩ范圍內(nèi)。所能夠承受的連續(xù)有效值電流即使在最低溫度下也不會(huì)超過其額定電流的3.5倍,在這里為52.5～70 A。如果2只并聯(lián),則可以承受不高于140 A的連續(xù)有效值電流。即使按波峰比3計(jì)算,所能承受的連續(xù)峰值電流低于420 A。如果這樣的鋁電解電容器承受100 A的IGBT的880 A短路電流10μs,鋁電解電容器將在其ESR上產(chǎn)生達(dá)11616 W的損耗,使電解液的溫度急劇上升并可能造成局部沸騰,其沸騰的氣體占據(jù)負(fù)電極的有效面積,使鋁電解電容器的電容量下降和ESR的上升,直至失效。因此,在抑制IGBT短路電流的同時(shí)還要抑制濾波電容器的短路電流。

5 過電流/短路保護(hù)的基本方法

基于以上分析,IGBT的短路保護(hù)策略應(yīng)綜合考慮所有受到短路電流沖擊并可能產(chǎn)生嚴(yán)重影響的器件保護(hù),而不僅僅是 IGBT是否能承受得住。

5.1 降低短路電流值

一旦檢測電路確定短路狀態(tài)發(fā)生,即迅速控制驅(qū)動(dòng)電路降低IGBT柵極電壓,以降低短路電流值,降低短路電流對IGBT和濾波電容器的沖擊,使其限制在安全范圍內(nèi)。在這個(gè)控制策略下通過對Infineon的FS25R12W1T4構(gòu)成的三相逆變器進(jìn)行輸出端對直流母線正端短路測試。直流母線電壓為560 V、三相380 V電網(wǎng)直接整流,2只1000 μ F/400 V電容器串聯(lián)濾波;測試儀器為F105B示波表和LAX 100-NP電流互感器,測試電流的電流電壓變比為10 A/V。主要相關(guān)波形通過瞬態(tài)捕捉方式獲得短路保護(hù)過程的直流母線電壓和IGBT電流波形,如圖 2、圖3所示。

圖2 通過降低柵極電壓的短路保護(hù)的直流母線電壓波形Fig.2 VDCBUSwave for short-circuit protection with reducing gate voltage

圖3 通過降低柵極電壓的短路保護(hù)的IGBT集電極電流波形Fig.3 IGBT collector current wave fo r short-circuit protection with reducing gate voltage

通過圖3可以看到,當(dāng)短路發(fā)生時(shí),IGBT電流快速上升到IGBT的限流值的88.8 A,IGBT進(jìn)入線性區(qū)工作,整個(gè)直流母線電壓幾乎全部降落在IGBT上。通過降低柵極電壓的方式迫使流過IGBT的電流逐漸降低達(dá)到一個(gè)合適的數(shù)值,并在短路發(fā)生時(shí)的6～10μs內(nèi)關(guān)斷IGBT。

采用降低柵極電壓來降低短路電流值的方法可以使高幅值短路電流的持續(xù)時(shí)間僅為反并聯(lián)快速二極管的反向恢復(fù)時(shí)間。這樣處理,可以降低短路對IGBT的沖擊不到原來的30%,這樣IGBT的最高短路結(jié)溫可以從350℃降低到低于220℃。如果將短路持續(xù)時(shí)間降低到6μs,IGBT的最高短路結(jié)溫還會(huì)進(jìn)一步降低,有可能降低到200℃或以下。如果考慮實(shí)際應(yīng)用電壓僅僅是IGBT額定電壓的60%,則IGBT短路故障下的最高結(jié)溫可以降低到175℃。

5.2 關(guān)斷速度的考慮

在正常狀態(tài)下,大電流IGBT關(guān)斷過程的電流變化速率可以達(dá)到1000 A/μ s甚至更高,如果回路的寄生電感接近200 nH,大致要產(chǎn)生不低于200 V的沖擊電壓。如果以正常的關(guān)斷速度關(guān)斷短路電流,則IGBT關(guān)斷過程的電流變化速率可以達(dá)到5000～10000 A/μ s,將產(chǎn)生1000～2000V的沖擊電壓,會(huì)導(dǎo)致IGBT被擊穿損壞。因此,在IGBT短路保護(hù)時(shí)的關(guān)斷過程應(yīng)考慮對電流變化速率在回路寄生電感中所產(chǎn)生的沖擊電壓的限制。因此,需要減緩關(guān)斷過程。為了與正常關(guān)斷時(shí)電流變化率相近,應(yīng)適當(dāng)降低柵極電壓的速度。

6 結(jié)論

通過上述分析可以得出IGBT短路保護(hù)的控制策略為:降低柵極電壓在限定時(shí)間內(nèi)慢關(guān)斷,這樣可以有效地降低短路現(xiàn)象對IGBT的功率和熱應(yīng)力沖擊;降低IGBT短路前的結(jié)溫也是降低IGBT最高工作結(jié)溫的有效方法之一;適當(dāng)降低IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以降低短路沖擊電流值,例如將柵極驅(qū)動(dòng)電壓從15 V降低到13 V可以使短路沖擊電流值降低25%以上。

[1]陳永真.IGBT抗短路能力分析[J].電力電子技術(shù),2007,41(12):131-133.