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工業(yè)電機驅(qū)動IGBT過流和短路保護的問題及處理方法
2022-06-19

　　工業(yè)電機驅(qū)動的整個市場趨勢是對更高效率以及可靠性和穩(wěn)定性的要求不斷提高。有關(guān)增加絕緣柵極雙極性晶體管（IGBT）導(dǎo)通損耗的一些權(quán)衡取舍是：更高的 短路電流電平、更小的芯片尺寸，以及更低的熱容量和短路耐受時間。這凸顯了柵極驅(qū)動器電路以及過流檢測 和保護功能的重要性。以下內(nèi)容討論了現(xiàn)代工業(yè)電機驅(qū)動中成功可靠地實現(xiàn)短路保護的問題，同時提供三相電機控制應(yīng)用中隔離式柵極驅(qū)動器的實驗性示例。 　　工業(yè)環(huán)境中的短路有哪些？ 　　工業(yè)電機驅(qū)動器的工作環(huán)境相對惡劣，可能出現(xiàn)高溫、交流線 路瞬變、機械過載、接線錯誤以及其它突發(fā)情況。其中有些事 件可能會導(dǎo)致較大的過流流入電機驅(qū)動器的功率電路中。圖1顯 示了三種典型的短路事件。 　　 　　圖1. 工業(yè)電機驅(qū)動中的典型短路事件 　　它們是： 　　逆變器直通。這可能是由于不正確開啟其中一條逆變器橋臂 的兩個IGBT所導(dǎo)致的，而這種情況又可能是因為遭受了電磁 干擾或控制器故障。它也可能是因為臂上的其中一個IGBT磨 損/故障導(dǎo)致的，而正常的IGBT保持開關(guān)動作。 　　相對相短路。這可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件 導(dǎo)致電機繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。 　　相線對地短路。這同樣可能是因為性能下降、溫度過高或過 壓事件導(dǎo)致電機繞組和電機外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。 　　一般而言，電機可在相對較長的時間內(nèi)（毫秒到秒，具體取決于 電機尺寸和類型）吸收極高的電流；然而，IGBT——工業(yè)電機驅(qū) 動逆變器級的主要部分——短路耐受時間為微秒級。 　　IGBT短路耐受能力 　　IGBT短路耐受時間與其跨導(dǎo)或增益以及IGBT芯片熱容量有關(guān)。更 高的增益導(dǎo)致IGBT內(nèi)的短路電流更高，因此顯然增益較低的IGBT 具有較低的短路電平。然而，較高增益同樣會導(dǎo)致較低的通態(tài) 導(dǎo)通損耗，因而必須作出權(quán)衡取舍。1 IGBT技術(shù)的發(fā)展正在促成增 加短路電流電平，但降低短路耐受時間這一趨勢。此外，技術(shù) 的進步導(dǎo)致使用芯片尺寸更小，2 縮小了模塊尺寸，但降低了熱 容量，以至耐受時間進一步縮短。另外，還與IGBT集電極-發(fā)射 極電壓有很大關(guān)系，因而工業(yè)驅(qū)動趨向更高直流總線電壓電平 的并行趨勢進一步縮減了短路耐受時間。過去，這一時間范圍 是10 μs，但近年來的趨勢是在往5 μs3 以及某些條件下低至1 μs方 向發(fā)展。4 此外，不同器件的短路耐受時間也有較大的不同，因 此對于IGBT保護電路而言，通常建議內(nèi)建多于額定短路耐受時 間的額外裕量。 　　IGBT過流保護 　　無論出于財產(chǎn)損失還是安全方面的考量，針對過流條件的IGBT 保護都是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。IGBT并非是一種故障安全元 件，它們?nèi)舫霈F(xiàn)故障則可能導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個驅(qū)動出現(xiàn)故障。5 過流保護一般通過電流測量或去飽和檢測來實 現(xiàn)。圖2顯示了這些技巧。對于電流測量而言，逆變器臂和相位 輸出都需要諸如分流電阻等測量器件，以便應(yīng)付直通故障和電 機繞組故障?？刂破骱?或柵極驅(qū)動器中的快速執(zhí)行跳變電路必 須及時關(guān)斷IGBT，防止超出短路耐受時間。這種方法的最大好 處是它要求在每個逆變器臂上各配備兩個測量器件，并配備一 切相關(guān)的信號調(diào)理和隔離電路。只需在正直流總線線路和負直 流總線線路上添加分流電阻即可緩解這種情況。然而，在很多 情況下，驅(qū)動架構(gòu)中要么存在臂分流電阻，要么存在相位分流 電阻，以便為電流控制環(huán)路服務(wù)，并提供電機過流保護；它們 同樣可能用于IGBT過流保護——前提是信號調(diào)理的響應(yīng)時間足 夠快，可以在要求的短路耐受時間內(nèi)保護IGBT。 　　 　　圖2. IGBT過流保護技術(shù)示例 　　去飽和檢測利用IGBT本身作為電流測量元件。原理圖中的二極 管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓在導(dǎo)通期間僅受到檢測電路的監(jiān) 控；正常工作時，集電極-發(fā)射極電壓非常低（典型值為1 V至4 V）。 然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅(qū)動IGBT退出 飽和區(qū)并進入線性工作區(qū)的電平。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快 速升高。上述正常電壓電平可用來表示存在短路，而去飽和跳 變閾值電平通常在7 V至9 V區(qū)域內(nèi)。重要的是，去飽和還可表示 柵極-發(fā)射極電壓過低，且IGBT未完全驅(qū)動至飽和區(qū)。進行去飽 和檢測部署時需仔細，以防誤觸發(fā)。這尤其可能發(fā)生在IGBT尚 未完全進入飽和狀態(tài)時，從IGBT關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到IGBT導(dǎo)通狀態(tài)期 間。消隱時間通常在開啟信號和去飽和檢測激活時刻之間，以 避免誤檢。通常還會加入電流源充電電容或RC濾波器，以便在 檢測機制中產(chǎn)生短暫的時間常數(shù)，過濾噪聲拾取導(dǎo)致的濾波器 雜散跳變。選擇這些濾波器元件時，需在噪聲抗擾度和IGBT短 路耐受時間內(nèi)作出反應(yīng)這兩者之間進行權(quán)衡。 　　檢測到IGBT過流后，進一步的挑戰(zhàn)便是關(guān)閉處于不正常高電流 電平狀態(tài)的IGBT。正常工作條件下，柵極驅(qū)動器設(shè)計為能夠盡 可能快速地關(guān)閉IGBT，以便最大程度降低開關(guān)損耗。這是通過 較低的驅(qū)動器阻抗和柵極驅(qū)動電阻來實現(xiàn)的。如果針對過流條 件施加同樣的柵極關(guān)斷速率，則集電極-發(fā)射極的di/dt將會大很 多，因為在較短的時間內(nèi)電流變化較大。由于線焊和PCB走線 雜散電感導(dǎo)致的集電極-發(fā)射極電路寄生電感可能會使較大的過 壓電平瞬間到達IGBT（因為VLSTRAY = LSTRAY × di/dt）。因此，在去飽 和事件發(fā)生期間，關(guān)斷IGBT時，提供阻抗較高的關(guān)斷路徑很重 要，這樣可以降低di/dt以及一切具有潛在破壞性的過壓電平。 　　除了系統(tǒng)故障導(dǎo)致的短路，瞬時逆變器直通同樣會發(fā)生在正常 工作條件下。此時，IGBT導(dǎo)通要求IGBT驅(qū)動至飽和區(qū)域，在該區(qū)域中導(dǎo)通損耗最低。這通常意味著導(dǎo)通狀態(tài)時的柵極-發(fā)射極電 壓大于12 V。IGBT關(guān)斷要求IGBT驅(qū)動至工作截止區(qū)域，以便在高 端IGBT導(dǎo)通時成功阻隔兩端的反向高電壓。原則上講，可以通 過使IGBT柵極-發(fā)射極電壓下降至0 V實現(xiàn)該目標。但是，必須考 慮逆變器臂上低端晶體管導(dǎo)通時的副作用。導(dǎo)通時開關(guān)節(jié)點電 壓的快速變化導(dǎo)致容性感應(yīng)電流流過低端IGBT寄生密勒柵極-集 電極電容（圖3中的CGC）。該電流流過低端柵極驅(qū)動器（圖3中的 ZDRIVER）關(guān)斷阻抗，在低端IGBT柵極發(fā)射極端創(chuàng)造出一個瞬變電壓 增加，如圖所示。如果該電壓上升至IGBT閾值電壓VTH以上，則 會導(dǎo)致低端IGBT的短暫導(dǎo)通，從而形成瞬態(tài)逆變器臂直通—— 因為兩個IGBT都短暫導(dǎo)通。這一般不會破壞IGBT，但卻能增加功 耗，影響可靠性。 　　 　　圖3. 密勒感應(yīng)逆變器直通 　　一般而言，有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應(yīng)導(dǎo)通問 題——使用雙極性電源和/或額外的米勒箝位。在柵極驅(qū)動器 隔離端接受雙極性電源的能力為感應(yīng)電壓瞬變提供了額外的裕 量。例如，–7.5 V負電源軌表示需要大于8.5 V的感應(yīng)電壓瞬變才 能感應(yīng)雜散導(dǎo)通。 這足以防止雜散導(dǎo)通。另一種方法是在完成 關(guān)斷轉(zhuǎn)換后的一段時間內(nèi)降低柵極驅(qū)動器電路的關(guān)斷阻抗。這 稱為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在流經(jīng)較低阻抗的電路，隨后 降低電壓瞬變的幅度。針對導(dǎo)通與關(guān)斷采用非對稱柵極電阻， 便可為開關(guān)速率控制提供額外的靈活性。所有這些柵極驅(qū)動器 功能都對整個系統(tǒng)的可靠性與效率有正面影響。

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