基于兩級di/dt檢測IGBT模塊短路策略*

王亮亮，楊 媛，高 勇，文 陽，馬 麗

（1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

基于兩級di/dt檢測IGBT模塊短路策略*

王亮亮1，2，楊 媛1，高 勇1，2，文 陽1，2，馬 麗1

（1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710048）

為了解決傳統(tǒng) VCE在檢測大功率絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊的短路故障時存在的問題，在分析了 IGBT短路特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于兩級電流變化率(di/dt)檢測 IGBT兩類短路故障的策略。該策略可以使驅(qū)動器更早地采取保護措施，限制IGBT的短路電流和短路功耗，減小關(guān)斷尖峰電壓?；? 300 V/1 200 A IGBT模塊的短路實驗結(jié)果證明了該策略的有效性和可行性。

IGBT；短路特性；檢測電路

0 引言

IGBT是一種先進的功率開關(guān)器件，兼有GTR高電流密度、低飽和電壓和高耐壓的優(yōu)點以及 MOSFET高輸入阻抗、高開關(guān)頻率、單極型電壓驅(qū)動和低驅(qū)動功率的優(yōu)點[1]。近年來，IGBT已經(jīng)在汽車電子、機車牽引和新能源等各個領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。由于大功率 IGBT模塊通常工作在高壓大電流的條件下，在系統(tǒng)運行的過程中，IGBT模塊會出現(xiàn)短路損壞的問題，嚴重影響其應(yīng)用。因此，IGBT短路檢測與保護是其中的一項關(guān)鍵技術(shù)。而大功率 IGBT模塊的短路檢測和保護方法，一般是使用 VCE退飽和檢測，再配合適當?shù)能涥P(guān)斷電路進行保護[2-3]。但使用 VCE退飽和檢測時，則需要較長時間(1～8 μs)的檢測盲區(qū)和較高的集電極-發(fā)射極電壓檢測閾值。較長時間的檢測盲區(qū)是為了防止IGBT在正常開通時進行誤檢測，但當 IGBT發(fā)生一類短路時，集電極電流迅速上升，IGBT一直工作在線性區(qū)，較長的短路檢測盲區(qū)時間不僅不利于限制 IGBT的短路電流和功耗，而且可能導(dǎo)致IGBT短路超過其10 μs的安全工作時間而損壞。

本文根據(jù) IGBT的短路特性和大功率 IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了一種新型大功率IGBT模塊的短路檢測電路，采用兩級 di/dt檢測 IGBT兩類短路狀態(tài)的實用方法。兩級 di/dt可在VCE的檢測盲區(qū)時間內(nèi)快速檢測出一類短路故障和二類短路故障。本方案可有效減小 IGBT短路工作時間，限制 IGBT的短路電流和功耗，最佳保護IGBT模塊。

1 IGBT短路的定義

IGBT短路時的數(shù)學(xué)表達式見式(1)，這個線性方程表示在短路發(fā)生時，電流的絕對值與電壓、回路中的電感量及整個過程持續(xù)的時間有關(guān)系。絕大部分的短路，母線電壓都是在額定點的，影響短路電流的因素主要是“短路回路中的電感量”。因此依據(jù)短路回路中的電感量，可將短路分為一類短路和二類短路。

一類短路是指IGBT本身處于已經(jīng)短路的負載回路中，短路回路中的電感量很小(100 nH級)，比如橋臂直通。IGBT發(fā)生一類短路后的工作特性如圖1(a)所示。當IGBT導(dǎo)通時，直流母線的所有電壓都集中在IGBT上，集電極電流迅速上升，此時短路電流上升速率只由功率驅(qū)動電路決定，大功率IGBT模塊的一類短路電流上升率有數(shù) kA/μs。由于短路回路中寄生電感的存在，其表現(xiàn)為集電極-發(fā)射極電壓 VCE小幅下降后又上升并短暫地超過母線電壓，之后穩(wěn)定在直流母線電壓。門極電壓在電流上升到最大值時會超過驅(qū)動電壓，之后穩(wěn)定在驅(qū)動電壓。

二類短路是指IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)下發(fā)生短路，這類短路回路中的電感量是不確定的(μH級)，比如相間短路或相對地短路。IGBT發(fā)生二類短路后的工作特性如圖1(b)所示。IGBT先工作在飽和區(qū)，在IGBT模塊電流不斷上升的同時 VCE也隨著升高，只是上升幅度極小不易觀察到。當 IGBT電流繼續(xù)上升到一定值時，IGBT開始進入退飽和區(qū)，VCE快速上升并短暫地超過母線電壓，最終穩(wěn)定在直流母線電壓。與一類短路相比，IGBT將受到更大的沖擊。

圖1 IGBT短路原理特性

IGBT發(fā)生短路時的電流是額定電流的 8～10倍[4]。如果不能夠快速地檢測到短路故障，同時配合適當?shù)能涥P(guān)斷保護措施，IGBT將會被損壞。

2 兩級di/dt檢測短路原理

封裝后的 IGBT模塊內(nèi)部有兩個發(fā)射極，一個是輔助 e極，另一個是功率 E極，輔助 e極和功率 E極之間有一個小于10 nH的寄生電感 LeE，這個很小的寄生電感LeE在大的電流變化率下可以產(chǎn)生感應(yīng)電壓 VeE[5]：

VeE即可反映出集電極電流 IC的變化率。圖2所示為IGBT短路檢測原理圖，設(shè)置了兩個短路檢測閾值Vref1=7 V和 Vref2=6 V來區(qū)分短路狀態(tài)(Vref1為第一級 di/dt檢測閾值、Vref2為第二級 di/dt檢測閾值且 Vref1＞Vref2)，在IGBT開通信號到來時，Vref1和 Vref2均小于采樣電壓 Vsam。當采樣電壓 Vsam小于短路檢測閾值 Vref2時，可判斷模塊發(fā)生一類短路；當采樣電壓 Vsam僅小于短路檢測閾值Vref1時，可判斷模塊發(fā)生二類短路。

當 IGBT發(fā)生一類短路后，IC迅速增大，1 μs內(nèi)就可達到數(shù) kA，如此大的 di/dt在 LeE上產(chǎn)生的 VeE較大且絕對值可以達到18 V。此時 Vref1和 Vref2均大于采樣得到的電壓 Vsam，超過第二級 di/dt的閾值，相應(yīng)的比較器將輸出短路信號送給前級CPLD，從而采取適當?shù)能涥P(guān)斷措施關(guān)斷 IGBT模塊。顯然，di/dt不需要檢測盲區(qū)時間，只要電流一開始上升，就可通過采樣 VeE電壓判斷IGBT是否發(fā)生短路，從而達到最佳的保護方式。

當IGBT發(fā)生二類短路后，電流上升率主要受母線電壓和負載影響，上升速率低于一類短路的電流上升率。此時，VeE的絕對值較小，即得到的采樣電壓 Vsam小，不適合采用同一級di/dt進行檢測。而第一級di/dt檢測就可以最佳地解決二類短路的檢測。當 IGBT發(fā)生二類短路后，集電極電流先快速上升，然后 VCE也開始上升直至母線電壓。通過設(shè)置合適的第一級 di/dt檢測閾值就可以準確地檢測到IGBT模塊發(fā)生的二類短路，驅(qū)動器采取適當?shù)能涥P(guān)斷措施關(guān)斷 IGBT模塊，最佳地保護IGBT模塊。

傳統(tǒng)使用 VCE進行短路檢測時，因需兼顧檢測一類短路和二類短路的需要，VCE需要較高的閾值，這使得驅(qū)動器只能在 IGBT退飽和時的 VCE快速上升階段檢測到IGBT的短路狀態(tài)。利用兩級di/dt分別檢測兩類短路，會在 VCE檢測盲區(qū)時間內(nèi)就檢測到兩類短路狀態(tài)。因此，無論是一類短路還是二類短路，利用兩級 di/dt檢測短路的方法，通過設(shè)置合適的檢測閾值，都擁有更快的檢測速度從而最佳地保護IGBT模塊。

圖2 兩級 di/dt和VCE檢測原理圖

需要注意的是兩級 di/dt分別檢測 IGBT模塊的兩類短路需配合適當?shù)能涥P(guān)斷電路才能發(fā)揮其快速檢測IGBT模塊短路的優(yōu)勢。當驅(qū)動器快速檢測到IGBT發(fā)生短路后不能立即直接關(guān)斷IGBT模塊，因為此時電流還在不斷上升，如果直接關(guān)斷 IGBT模塊將會產(chǎn)生非常高的電壓尖峰，會危及 IGBT的安全。若使用硬關(guān)斷，則需等待 VCE上升至母線電壓方可動作；若使用軟關(guān)斷，可立即動作，緩慢降低門極電壓，電流會逐漸降低，此時VCE上升速率會加快，但產(chǎn)生的過壓會非常小。

3 實驗結(jié)果與分析

為驗證本文所設(shè)計的短路檢測策略較傳統(tǒng)短路檢測方法的優(yōu)越性，使用3 300 V/1 200 A IGBT模塊進行短路實驗[5]，在實驗中將母線電壓調(diào)整為1 500 V。

圖3(a)為一類短路測試原理圖，電網(wǎng)電壓經(jīng)過調(diào)壓器和整流橋，將母線電容電壓充到1 500 V，上管 IGBT的門極被-15 V關(guān)斷，且用粗短的銅排將其短路。對下管的IGBT釋放一個12 μs的單脈沖，直通就形成一類短路。圖3(b)為二類短路測試原理圖，將母線電容電壓同樣充到1 500 V，上管IGBT的門極被-15 V關(guān)斷，且給上管并聯(lián)一個4 μH的電感作為負載，下橋臂通過 IGBT驅(qū)動器釋放一個15 μs的單脈沖就形成二類短路。

圖3 短路測試原理圖

圖4為傳統(tǒng)使用VCE檢測短路的波形。VCE檢測閾值為4 V，短路檢測盲區(qū)時間 8 μs。圖4(a)為一類短路的測試波形，由圖可知，驗證所用 IGBT模塊發(fā)生一類短路后開通 4 μs時電流上升到最大值 6.12 kA，短路持續(xù)時間約 8 μs，短路損耗約 60 J。圖4(b)為二類短路測試波形，由波形可知，發(fā)生二類短路后開通約14 μs電流上升到最大值 6.80 kA，短路損耗約12 J。

圖4 傳統(tǒng) VCE短路檢測實驗波形

圖5為本文設(shè)計的兩級 di/dt分別檢測兩類短路的波形。通過觀察圖5(a)實驗波形可知，發(fā)生一類短路后開通約 2.4 μs時，第二級 di/dt已檢測出一類短路狀態(tài)并將短路信號送給前級CPLD，驅(qū)動器采取相應(yīng)的軟關(guān)斷措施將電流最大值限制在 3.16 kA，短路持續(xù)時間為2 μs，短路損耗約 5 J。通過對比分析圖4(a)和圖5(a)可知，圖5(a)的短路時間、短路電流和短路損耗遠小于圖4(a)。觀察圖5(b)二類短路實驗波形可知，開通約5.6 μs，第一級 di/dt立刻檢測出二類短路狀態(tài)，驅(qū)動器立即采取相應(yīng)的軟關(guān)斷保護措施將電流最大值限制在4.2 kA，短路損耗約 7 J。顯而易見，短路時間、短路電流和短路損耗也比圖4(b)小的多。

通過實驗波形分析對比可知，兩級電流變化率(di/ dt)檢測兩類短路故障，可在傳統(tǒng) VCE退飽和短路檢測方法的檢測盲區(qū)時間內(nèi)就檢測到短路故障，使IGBT驅(qū)動器有充足的反應(yīng)時間。再結(jié)合相應(yīng)的軟關(guān)斷保護策略，大大減小了IGBT的短路時間、短路電流，降低了短路功耗，最佳地保護了 IGBT模塊。

圖5 兩級 di/dt分別檢測兩類短路實驗波形

4 結(jié)論

本文根據(jù) IGBT的短路特性和大功率 IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特點，提出一種采用兩級 di/dt分別檢測 IGBT兩類短路故障的實用新方法。該方案可快速檢測IGBT的短路故障，使驅(qū)動器能夠提早對短路故障做出響應(yīng)，可靠有效地保護 IGBT模塊。通過調(diào)節(jié)兩級 di/dt的檢測閾值，該方案還可以應(yīng)用于多種等級的大功率 IGBT模塊的短路檢測，保證 IGBT系統(tǒng)的正常運行。

[1]周志敏，周紀海，紀愛華.IGBT和 IPM及其應(yīng)用電路[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[2]范立榮，張凱強.一種適合中頻感應(yīng)加熱電源的 IGBT驅(qū)動技術(shù)[J].微型機與應(yīng)用，2014，33(8)：22-25.

[3]白婭梅，李鈺璽，張亞軍.基于 2SC0108T的IGBT驅(qū)動器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37(2)：67-70.

[4]文陽，楊媛，高勇.基于 2SC0535的大功率 IGBT驅(qū)動保護電路設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)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.

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)

In order to solve the existing problems of the traditional VCEin 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.

IGBT；short-circuit characteristic；detection circuit

TN386.2

：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.013

王亮亮，楊媛，高勇，等.基于兩級 di/dt檢測 IGBT模塊短路策略[J].電子技術(shù)應(yīng)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.

2015-12-16)

王亮亮（1989-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：大功率IGBT驅(qū)動與保護，E-mail：278115802@qq.com。

國家自然科學(xué)基金(51477138)；陜西省教育廳服務(wù)地方專項計劃項目(15JF026)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目(2013KTCQ01-26)；西安工程大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項目(CX2015005)；陜西省教育廳專項科研計劃項目(15JK1306)；西安市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計劃項目(CXY1501)；陜西省教育廳科研計劃項目(13JK1105)

楊媛（1974-），女，博士，教授，主要研究方向：半導(dǎo)體新型器件及集成電路。

高勇（1956-），男，博士，教授，主要研究方向：半導(dǎo)體新型器件及集成電路。