IGBT短路原因及其保护措施

工作时，外部事故或者硬件/软件的错误会导致短路。根据短路发生的时间点与IGBT工作状态的不同，可以分为以下两种短路：

·SC1短路，IGBT开通前已经发生短路；

·SC2短路，IGBT开通后发生短路。

实际短路电流常常超过IGBT数据手册中标注的短路电流l SC，这是由于实际工况往往超规格书给定条件。通常这些给定条件包括栅极电压U GE为15V，最大结温T vi,op(125℃或150℃)，特定的直流母线电压UDC和最大持续时间。由此产生的短路电流存在以下关系：

如果T vi,op升高，则l SC下降；如果U DC或U GE增大，则l CS增大。

l SC=f(T vi,op↑↓，U DC↑↓，U GE↑↓)(1)

控制T vi,op和U DC相对容易，而控制U GE很困难，这是由于IGBT的反馈电容C GC(密勒电容)造成的。

短路时，IGBT集电极和发射极之间出现高电压变化率dU CE/dt。特别是在SC2短路中，IGBT从低导通压降U CEsat的饱和状态迅速进入退饱和状态，从而几乎承受全部直流母线电压U DC与换流路径杂散电感造成的过冲电压之和。电压突变产生反馈电流I GC，其可能导致IGBT栅极电容进一步充电，导致栅极电压升高甚至超过驱动电路产生的标称栅极电压。根据IGBT的跨导，随着栅极电压的提升，集电极电流相应增加(不受外部条件的)。数据手册中的转移特性描述了这种对应关系，一般给出最高到两倍标称电流I nom的曲线，如图1所示。

图1摘自450A IGBT模块数据手册的转移特性I c=f(U GE)IGBT栅极电压对于短路电流非常重要。为了实现该目的，可以采用以下措施：

·使用较小的栅极电阻R G，这会降低由电流I GC引起的压降，从而抑制栅极电压；

·添加外部栅-射极电容。电流l GC需对更大的门极电容充电，但IGBT模块内部电阻R gint使得内外电容解耦，从而了这种措施带来的好处；

·通过快速齐纳二极管栅-射极电压。考虑到电源电压的误差及二极管温漂的影响，选择比栅极额定电压高2~3V即可；

·也可以通过快速PN二极管或肖特基二极管把栅极钳位到驱动电源正电压，根据电源的公差和驱动电路内部的压降，可以保证栅极电压超过标称电压

0.3-3V。如果使用肖特基二极管，应该选择那些高温时仍然保持较低漏电流的器件；否则，高结温下漏电流很大，会增加驱动电源的压力；

·降低栅极工作电压到14V左右，同时使用上文所述的一种或多种措施，以降低短路时栅极的最大电压。缺点是IGBT的通态损耗会增加；·采用IGBT栅极接地的驱动电路。

无论选择何种措施，IGBT模块内部栅极电阻总是会导致更高的栅极电压，从而导致更高的短路电流。上述外部措施可以用于ICBT模块的短路电流，但它们无法补偿对内部栅极电阻的影响。

另一个关键问题是IGBT从短路开始到截止的持续时间。绝大多数的IGBT 要求短路时间不超过10μs，该时间由IGBT短路时内部产生的能量损耗E SC决定，一般不要超过制造商所指定的短路时间。由于短路能量损耗很难测量或者说无法测量，所以在实际应用中采用数据手册标识的最大短路时间。在此期间，需要完成从“检测”“处理”到“关断”的整个控制过程。最大允许短路时间受结温T vi,op和直流母线电压U DC的影响较大。通常T vi,op越高或U DC越高，最大容许短路时间就越短，这样留给上述动作的时间将减少，即

T SC=f(T vi,op↑↓，U DC↑↓)(2)

现在的驱动单元通常集成了一些保护功能可以提供足够的检测性能和关断能力，比如退饱和检测。如果IGBT指定t SC=6μs(150℃)时，必须特别注意选择合适的驱动器或实现短路检测，并不是所有的驱动器或电路都能够确保6μs内完成所有的操作。

在实际应用中，最难处理的不是SC1型短路，而是SC2型短路，下文将探讨这个问题。对于SC2型短路，可能发生的一种极端情况：当IGBT关断的时刻，恰好是IGBT从饱和导通状态到退饱和状态的过渡过程，这时两个结果可能同时发生或各自发生。其一，换流回路中的寄生电感在高-di C/dt时产生最高的集-射极过电压，当该电压超出IGBT的电压等级U CES后就可能损坏器件，因此在应用中需要通过一些适当的措施来保护器件，例如：·有源钳位；

·低电感设计的直流母排；

·使用吸收电容。

除此之外，IGBT的损耗可能导致器件热失效(U CE》U CEsat且l C=I SC)。

另一个问题是短路回路中的等效电感，该电感可以短路电流，如图2a 所示，当短路电感值较小时，使得IGBT在6μs内退出饱和状态，由于U CEsat检测电路的作用，IGBT被强制关断(这里使用有源钳位IGBT关断时的集-射极过电压)。然而在图2b中，短路电感值增加之后，IGBT不会在6μs退出饱和，其电流会上升到模块标称电流800A的4.6倍，约3.7kA；只有当短路时间持续到14μs时，IGBT的电流到5.7kA才会退出饱和区。所以在触发U CEsat监控关断IGBT 之前，短路电感值较大时将产生更多的能量损耗。也许保护电路动作之前，IGBT 已经由于产生的损耗而损坏。

图2SC2时，短路电感值对800A/600V IGBT模块的影响短路电感小的SC2型短路是最常见的，如逆变器输出端直接短接。由于回路电感极低，IGBT迅速退出饱和，同时产生很高的du/dt，从而通过密勒电容对栅极充电并拾高其电压。

除了du/dt非常高(比之前短路还高)之外，密勒电容也很大(因为IGBT处于饱和区)，因此栅极电压也将很高。这意味着即使存在保护电路，峰值电流可能也会达到损坏IGBT的程度。图3对比了SC1短路和SC2分别在小电感和极小电感下短路的结果。这三幅图比例相同且来自一个简化的仿真模型，可以明显看到短路电流峰值由短路类型决定。

图3SC1和SC2短路电路的仿真

SC2短路还可能发生另一种极端情况当IGBT开通后发生SC2短路故障，IGBT 还未进入饱和区，但不完善的U CEsat监测电路检测到短路并关断IGBT。图4是一个的详细例子。由于开通过程较慢，IGBT没有快速进入饱和区而处于线性区，这时关断IGBT，其后果是损坏IGBT。建议使用可以迅速开通IGBT的驱动器来解决这类问题。可采用以下几种措施来迅速开通IGBT：

·采用较低的栅极电阻(无法无条件地推荐)；

·降低门极-发射极电容(如果存在)；

·具有快速开关能力的驱动器(优化驱动信号放大电路)；

·减少驱动内部阻抗(可以增加驱动峰值电流)。

当选择一个IGBT或者IGBT模块时，需注意并非所有IGBT都明确给出短路定义，比如其短路时的特性和鲁棒性都是不确定的。

图4在关断SC2短路时，由于驱动能力不足导致损坏1.5kA/3.3kV的IGBT模块