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，減小關斷尖峰電壓。基于3 300 V/1 200 A IGBT模塊的短路實驗結果證明了該策略的有效性和可行性。
IGBT是一種先進的功率開關器件，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、高開關頻率、單極型電壓驅動和低驅動功率的優(yōu)點[1]。近年來，IGBT已經在汽車電子、機車牽引和新能源等各個領域獲得廣泛的應用。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，嚴重影響其應用。因此，IGBT短路檢測與保護是其中的一項關鍵技術。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模塊的結構特點設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。
![基于兩級di/dt檢測<a title=]()
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一類短路是指IGBT本身處于已經短路的負載回路中，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動電壓，之后穩(wěn)定在驅動電壓。
二類短路是指IGBT在導通狀態(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。
