二代大功率IGBT短路保護(hù)和有源鉗位電路設(shè)計(jì)

摘要：通過(guò)分析IGBT的器件特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模塊2SC0435T作為核心部件，設(shè)計(jì)了大功率IGBT的短路保護(hù)和有源鉗位電路。
關(guān)鍵詞：IGBT模塊；二代SCALE-2模塊；2SC0435T；短路保護(hù)；有源鉗位

0 引言
IGBT模塊耐壓高、電流大、飽和壓降低、工作頻率高，是大功率逆變器、電源等電力電子裝置的首選功率器件。但I(xiàn)GBT抗過(guò)載能力不高，設(shè)計(jì)發(fā)揮IGBT性能、高可靠性的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，是設(shè)計(jì)者必須考慮的問(wèn)題。本文從應(yīng)用角度，分析了IGBT的特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模塊2SC0435T為核心部件，設(shè)計(jì)了大功率IGBT的短路保護(hù)和有源鉗位電路，試驗(yàn)驗(yàn)證該驅(qū)動(dòng)器具有良好的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)能力。

1 IGBT的特性分析
1．1 IGBT損壞原因分析
IGBT模塊在使用過(guò)程中損壞的主要原因有：VCE過(guò)壓、VCE過(guò)壓、過(guò)高的dv／dt、過(guò)高的靜電(ESD)、過(guò)流、短路、過(guò)高的di／dt、過(guò)高的結(jié)溫等，IGBT驅(qū)動(dòng)電路能保護(hù)的項(xiàng)目有：VCE過(guò)壓、VCE過(guò)壓、過(guò)高的dv／dt、短路、過(guò)高的di／dt。
1．2 IGBT的外特性
圖1是IGBT的外特性圖，通常IGBT的datasheet中只給出額定電流的2倍曲線的外特性(左下角)，電流再大的部分屬于定性不定量的示意圖。

它表示，在短路發(fā)生時(shí)，電流的絕對(duì)值與電壓、回路中的電感量及整個(gè)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間有關(guān)系。絕大部分的短路，母線電壓都是在額定點(diǎn)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。
發(fā)生一類短路時(shí)，回路中的電感量很小(100nH級(jí))，見圖2。IGBT的電流會(huì)快速上升，當(dāng)電流上升到4倍額定電流，IGBT發(fā)生退飽和現(xiàn)象，IGBT的電壓會(huì)迅速上升至直流母線電壓，芯片的損耗非常大。驅(qū)動(dòng)器需在10us內(nèi)把IGBT關(guān)斷，稱短路保護(hù)。

發(fā)生二類短路時(shí)，由于回路的電感量稍大(uH級(jí))，電流爬升的速度慢(相比一類)，IGBT的Vcesat下降至飽和壓降，隨著電流進(jìn)一步加大，飽和壓降輕微上升，之后存在兩種情況：
●電流能到達(dá)“退飽和點(diǎn)”時(shí)，Vcesat迅速上升至直流母線電壓，10μs內(nèi)驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷IGBT，IGBT得到保護(hù)；
●當(dāng)電流爬升慢，IGBT不發(fā)生退飽和現(xiàn)象，IGBT處于過(guò)流狀態(tài)。如果不及時(shí)關(guān)斷，由于電流比正常值高很多，經(jīng)過(guò)若干開關(guān)周期后，IGB T損耗會(huì)比較高，結(jié)溫會(huì)迅速上升，從而導(dǎo)致IGBT失效。此時(shí)需檢測(cè)IGBT電流變化率，對(duì)IGBT進(jìn)行及時(shí)關(guān)斷，稱過(guò)流保護(hù)。
根據(jù)IGBT特性，IGBT電流變化率可通過(guò)Vcesat檢測(cè)，但由于Vcesat在飽和區(qū)內(nèi)變化微弱，容易導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器誤保護(hù)，所以，現(xiàn)在IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路只進(jìn)行短路保護(hù)，過(guò)流保護(hù)由霍爾電流傳感器完成。