IGBT被廣泛用于各類pwm變流器,如ups、變頻器、有源電力濾波器等。隨著IGBT制造工藝的發(fā)展,如今,IGBT的額定電流和電壓已分別提升到3600a和6500v,由大功率IGBT構(gòu)成的現(xiàn)代化兆瓦級(jí)變流器,廣泛出現(xiàn)在各類工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中,尤其是近年來(lái),隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展,中大功率IGBT得到了更為廣泛的應(yīng)用。隨著變流器容量的提升,變流器在整個(gè)系統(tǒng)的成本以及可靠性中所占的比重日益增大,因此,兆瓦級(jí)變流器的可靠性成為廣泛關(guān)注的問題。
短路時(shí)IGBT失效的原因
短路故障是電力電子裝置中常見的故障之一。電機(jī)繞組絕緣擊穿、電機(jī)電纜絕緣擊穿、誤操作、驅(qū)動(dòng)指令錯(cuò)誤、不足的死區(qū)時(shí)間,都會(huì)造成短路故障的發(fā)生。
通常,IGBT短路故障致使IGBT損壞的原因主要有以下三種??偟膩?lái)說(shuō),這三種原因都可以歸結(jié)為器件中硅材料或焊接導(dǎo)線的熱效應(yīng)所引起。
(1)超出硅材料的熱極限
短路過程中,IGBT承受整個(gè)vdc電壓,同時(shí)ic為正常電流的若干倍。IGBT將承受遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行狀態(tài)下的損耗,從而使得IGBT的結(jié)溫迅速升高。如果結(jié)溫超過了允許的最高結(jié)溫,IGBT將因熱積累作用失去阻斷能力。vce將迅速降低,隨后整個(gè)器件完全損壞。通常,IGBT生產(chǎn)廠家都會(huì)保證在特定情況下10μs的短路耐受時(shí)間。
(2)IGBT擎住效應(yīng)
在IGBT中存在一個(gè)寄生的npn三極管,正常運(yùn)行情況下,這個(gè)npn三極管被擴(kuò)散電阻旁路,不會(huì)開通。然而,在ic很大的情況下,例如短路發(fā)生時(shí),這個(gè)npn三極管將開通,這樣IGBT門極將失去對(duì)IGBT的控制力。最終,IGBT將因?yàn)檫^大的電流使芯片和焊接導(dǎo)線上產(chǎn)生過大的損耗而損壞。
(3)vce過電壓
在保護(hù)電路控制IGBT主動(dòng)關(guān)斷由于短路引起的大電流時(shí),由于分布電感的存在會(huì)產(chǎn)生vce過電壓,vce超過了特定的限制。IGBT將因雪崩擊穿而損壞;與短路電流相等的ic將集中于一塊很窄的硅上從而產(chǎn)生一個(gè)高溫的熱點(diǎn),因此,IGBT失去它的阻斷能力,并在幾十ns內(nèi)失去電壓。為了防止由于這類原因造成IGBT失效,除了主回路的分布電感應(yīng)盡可能地小,還需要一種帶有vce控制的門極驅(qū)動(dòng)器。
短路故障的關(guān)斷過電壓
通常情況下,IGBT短路故障被分為兩類,開通短路(hsf)和通態(tài)短路(ful)。
開通短路是指負(fù)載短路發(fā)生在IGBT開通過程中,如圖1a)所示。IGBT在t1時(shí)刻開始開通,ic迅速升高!dic/dt由門極驅(qū)動(dòng)電路的特性和 IGBT的跨導(dǎo)決定。vce先下降,很短時(shí)間后重新開始上升,穩(wěn)態(tài)時(shí),vce略低于IGBT斷態(tài)電壓——直流側(cè)電壓vdc。
圖1:兩種IGBT短路故障特性
通態(tài)短路是指在IGBT已經(jīng)開通進(jìn)入穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)之后,負(fù)載發(fā)生短路,如圖1b)所示。短路發(fā)生后,ic上升,dic/dt由短路阻抗和直流側(cè)電壓vdc決定。當(dāng)ic升高至由門極電壓vge和IGBT跨導(dǎo)所決定的穩(wěn)態(tài)最大電流后,IGBT將退出飽和區(qū),vce開始升高。vce的升高將通過米勒電容cgc耦合一個(gè)電流對(duì)IGBT門極進(jìn)行充電,從而使得vge升高。vge的升高將使得ic繼續(xù)增大,從而使得ic表現(xiàn)出很大的過沖,這將導(dǎo)致IGBT擎住現(xiàn)象發(fā)生甚至毀壞。
仔細(xì)觀察圖1中vce曲線,可以發(fā)現(xiàn),在短路過程中,vce出現(xiàn)兩次過沖。第一次過沖是因?yàn)镮GBT自身的限流作用,第二次是因?yàn)槿藶榈腎GBT關(guān)斷指令。通常,第二次電壓過沖是很高的,如果沒有進(jìn)行妥善的處理,可能造成IGBT因?yàn)関ce過電壓而損壞。本文主要針對(duì)解決此問題,從門極驅(qū)動(dòng)器的角度,展示了一種解決方法,保護(hù)IGBT免于由于此類故障損壞。
圖2:換流回路的等效電路
IGBT關(guān)斷過電壓是存儲(chǔ)在主回路分布電感中的能量重新分配的結(jié)果,無(wú)論何時(shí),只要流經(jīng)IGBT、母排、直流側(cè)電容的電流發(fā)生換向,關(guān)斷過電壓都將出現(xiàn)。在如圖2所示的等效電路圖中,可得vce如下:
其中,lq包括了母排中的電感,直流側(cè)電容中的等效串聯(lián)電感以及IGBT封裝中的電感。vdfy表示反并聯(lián)二極管的正向恢復(fù)電壓,通常為10到50v。
為了保證vce在IGBT的額定范圍以內(nèi)換流電流變化率必須滿足下式。
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大功率開關(guān)電源IGBT短路保護(hù)的三種設(shè)計(jì)方法
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第二講:基于IGBT的高能效電源設(shè)計(jì)
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短路時(shí)關(guān)斷過電壓的抑制方法
傳統(tǒng)保護(hù)方法
傳統(tǒng)IGBT驅(qū)動(dòng)器 的控制框圖如圖3所示。正常運(yùn)行時(shí),IGBT經(jīng)rg_on開通,經(jīng)rg_off關(guān)斷。當(dāng)短路或過流故障發(fā)生時(shí),為了限制關(guān)斷過電壓,IGBT經(jīng)阻值較大的電阻rg_fault關(guān)斷。這將使vge緩慢下降,從而消除顯著的關(guān)斷過電壓。然而,這是一種開環(huán)的控制方法,無(wú)法完全保證IGBT在任何情況下都能夠安 全的關(guān)斷。同時(shí),任何短路檢測(cè)方法都需要一定的檢測(cè)時(shí)間,如果IGBT關(guān)斷信號(hào)在短路故障檢測(cè)出之前使能,IGBT將經(jīng)rg_off關(guān)斷,這樣一來(lái),IGBT損壞將不可避免。
圖3:傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路
對(duì)于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器中存在的問題,本文中使用一種被稱為“有源電壓箝位技術(shù)”的方法,設(shè)計(jì)了一種閉環(huán)的保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路,如圖4所示。
圖4:所采用的的閉環(huán)保護(hù)方法示意圖
圖4中z為瞬態(tài)抑制二極管,瞬態(tài)抑制二極管為一種瞬態(tài)沖擊電壓保護(hù)器件,反應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ns級(jí)。相比壓敏電阻,其反應(yīng)速度快,然而瞬態(tài)容量和穩(wěn)態(tài)容量都遠(yuǎn)小于壓敏電阻。
在檢測(cè)到短路故障之后,IGBT經(jīng)rg_fault關(guān)斷,當(dāng)vce升高至瞬態(tài)抑制二極管的擊穿電壓時(shí),電流通過瞬態(tài)抑制二極管向IGBT門極充電,提升IGBT的門極電壓vge,隨著vce的繼續(xù)升高,流過瞬態(tài)抑制二極管的電流將增大,從而動(dòng)態(tài)的改變dic/dt,實(shí)現(xiàn)了關(guān)于vce的閉環(huán)保護(hù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)的等效電路圖如圖2所示。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)使用一只Infineon公司的半橋IGBT模塊ff450r17me3作為功率開關(guān),9只低感薄膜電容——每只225μf/1200v——組成直流側(cè)電容,功率開關(guān)與直流側(cè)電容通過基于印刷電路板的疊形母排連接,以保證較低的主回路分布電感。ff450r17me3為采用Infineon公司第三代IGBT芯片技術(shù),具有更低的導(dǎo)通壓降,更快的開關(guān)速度,同時(shí),采用了新的econodual封 裝模式,保證了IGBT封裝內(nèi)部更低的分布電感。
圖5:試驗(yàn)工作臺(tái)
驅(qū)動(dòng)板采用infineon的1700v IGBT驅(qū)動(dòng)器2ed300c17作為核心器件,提供良好的隔離和兩路隔離的正負(fù)30a的峰值驅(qū)動(dòng)電流能力,以及過流保護(hù)、欠壓保護(hù)等。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)導(dǎo)通時(shí)的vce電壓,能夠快速判定短路故障,及時(shí)控制門極電平,實(shí)現(xiàn)IGBT的軟關(guān)斷。其故障狀態(tài)下的軟關(guān)斷功能和有源電壓箝位功能共同作用,有效地抑制了在故障狀態(tài)下關(guān)斷IGBT時(shí)產(chǎn)生的高di/dt,降低了IGBT兩端的關(guān)斷過電壓,保證在最嚴(yán)重的的短路下實(shí)現(xiàn)安全有效的保護(hù)。
圖6:短路試驗(yàn)結(jié)果
在vdc=1200v下進(jìn)行了短路試驗(yàn),試驗(yàn)波形如圖6所示。可見,在關(guān)斷開通短路電流和通態(tài)短路電流時(shí),vcemax被可靠地箝位在1350v,小于vces(1700v),使IGBT工作于安全工作區(qū)間內(nèi),有效地保護(hù)了IGBT,所采用的有源電壓箝位技術(shù)達(dá)到了預(yù)期的效果。
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