绝缘栅双极型晶体管过流保护的分析与研究

2017-11-21

传感器世界 2017年8期

广东环境保护工程职业学院，广东佛山 528216

关键字：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）；过流保护；试验；特点

一、前言

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组合成的大功率半导体器件，有驱动功率小、开关速度快等优点，所以非常适合用于高电压、大电流、高频率的开关系统。而IGBT模块则是绝缘栅双极型晶体管芯片和续流二极管芯片并联封装好的模块化产品，通常说的IGBT指的就是IGBT模块，可以直接应用于各种电路中。

如今，在半导体模块中 IGBT 的使用相当广泛，大部分电力电子器件的研发都是在 IGBT作为开关器件的基础上，越来越多地使用到 IGBT 开关器件。但是，在使用 IGBT 的时候经常会碰到很多问题，比如如何设计合理的驱动电路、可靠的过流保护电路等。IGBT模块电路设计的好坏直接影响了系统的运行，对交流系统甚至是整个系统的性能有着决定性作用。

本文主要研究IGBT的过流保护，就是当 IGBT回路发生异常，IGBT 的电流过大时，能够十分迅速地将 IGBT关断，停止工作；当回路回复正常后，IGBT能继续工作，对 IGBT 和控制回路起到保护的作用。

二、IGBT 过流的特点

首先，IGBT 模块是个比较敏感的器件，能承受的过流时间相当短，特别是发生过流的时候极其容易损坏。因为 IGBT 正常工作的时候都有几十安培，发生过流的时候电流会更大，极大的电流在非常短的时间内都会把 IGBT 烧毁，一般几个微秒的时间就已经烧毁。

其次，IGBT 的过流状态受门极驱动电压影响。即门极驱动电压小的电路，IGBT 的耐冲击电流比门极驱动电压大的电路的小。就好比水龙头，开关开得大，水就大，这样就容易将水耗完。

最后，当发生过流之后，如果没来得急保护，IGBT 有可能被烧毁而断路，也有可能被击穿产生擎住效应[1]。这是因为 IGBT 在结构上的原因，它内部有寄生晶闸管，只要该晶闸管触通，IGBT 就再也无法控制栅极，也就是无法关断 IGBT。

三、过流保护的方法

根据 IGBT 过流的特点，我们在设计泄放回路的IGBT 过流保护设计的时候，要达到过流保护的效果，一方面要及时能检测出过流信号并且要快速响应过流信号，即要求检测过流的电路响应速度快过 IGBT 承受过流的时间，在模块能承受的过流时间内关断模块；另一方面还要注意避免热损坏，在 IGBT 发生过流的时候，IGBT 上有几百安培的电流流过，有很大的功率损耗，产生大量的热量，所以要避免过高的温度把IGBT损坏。所以我们还要想办法延长 IGBT 能承受的过流时间，从而争取时间处理过流信号。在发生过流的时候，我们可以降低 IGBT 的门极电压，这样 IGBT能够承受过流的时间也就长些。

为了解决以上问题达到保护的作用，关键是看如何将 IGBT 有效关断，在关断过程中采取什么措施。

首先，我们要选用快速的检测器件，检测到的过流信号迅速反馈。IGBT 承受过流的时间是微秒级，所以检测器件一般要选用的是纳秒级。然后，发生过流时，我们要将 IGBT的门极电压缓慢降低，从15V降至10V或8V。这样一方面直接将模块能够承受过流的时间给延长了，另一方面还将模块过流的电流给减小了[2]。最后，再将 IGBT 关断。即将门极电压由 10V或8V降为0V。这个过程一定要快速，也就是关断要快速。因为门极电压降低，伴随着 IGBT 的压降升高，在大电流的作用下容易热损坏，快速关断就避免了热损坏。

四、过流保护的设计

正常工作时，IGBT 的Vce电压只有 1～2V；通过厂家提供的模块的电流Ic的 Gain 值与模块的Vce电压曲线，当过流时，电流很大，IGBT 产生的压降Vce过大而由驱动芯片检出故障。根据使用情况，我们保护设定值为Vce=7V，即Ic=600A。

如图 1 所示，通过驱动芯片检测Vces的电压值检出 IGBT 过流故障，使 MPU 报出故障。

过流检测二极管使用了 FUJI 推荐的 RP1H。该超快速恢复二极管的反向耐压是 1200V，导通压降最大7V，导通电流 0.1A，反向恢复时间是 100ns。

如图 2 所示，当 IGBT 过流保护检出过流故障后，芯片会一直锁定 IGBT 为 OFF，直至母线电压低于放电电压值，即无驱动为止。另外，故障会使控制系统进入故障模式，待维修人员处理。

五、测试试验

为了验证设计的可靠性，需认证驱动芯片VLA503-01R 短路保护回路设计的以下两个问题：

1，据 DATASHEET 描述，VLA503-01R 过流保护触发电平最小VSC=15V，该电压参考点是什么？短路保护触发电平阀值如何设计？

2、短路保护检测时间如何理解？是保护延迟时间为 3μs，还是短路状态维持 3μs，才进行有效检出？

为了验证以上问题，我们进行输出对 N 短路和桥臂间短路测试，电路图如图 1 和图 3 所示。

方案一：检测回路完全开路，模拟 IGBT 开路故障，测试结果表明当检测电压VSC=15～22V 时，芯片报出故障，检出时间为 3μs左右；

方案二：为了测试 VLA503-01R 报故障时，IGBT结电压VCE(SAT)值，用可调稳压电源代替VCE，测试结果表明当VCE电压为 9.2～9.5V 左右时，即VSC为10.1～10.3V 左右时，芯片报故障。该结果与方案一结果一样；

方案三：为了测试短路保护时Ic电流和 IGBT 结电压VCE，我们通过 IGBT 输出短路来测试，为了降低VCE阀值，在检测回路串入 4.7V 稳压管。测试结果表明，输出短路保护时，当Ic为 1.6～1.7kA 时，检测阀值VSC为 12～13V 时，报故障，但短路保护时间超过 10μs，可达 15μs；

方案四：由于方案三进行输出短路保护时，芯片可实现保护，但由于保护电流阀值为额定的 3～4 倍，且时间超过10μs，所以我们进行 IGBT 上下桥臂短路。与方案三一样，都是在检测回路中分别串入 4.7V或6.6V稳压二极管。由测试结果可知：当稳压管为 4.7V时，在 W 相短路时，IGBT 烧毁；当稳压管为 6.6V 时，可以实现桥臂间短路保护，保护时间都为 3μs左右；当稳压管为 4.7V时，无论上下桥臂短路，都是下桥臂报故障；当稳压管为 6.6V 时，无论上下桥臂短路，上下桥臂都有可能报故障。

图 4 所示为测试波形图，其中，CH2 为上桥壁的Vge，CH7上桥壁的VSC，CH8 为上桥壁的故障信号Pin8，CH11、CH12 分别为图 3 所示电流表A1 和 A2的值。正常开通时，VSC=8.25V，短路时，VSC= 9.8～10.5V，IA1=797A，IA2=972A。