IGBT工業(yè)電機驅(qū)動：過流和短路保護

我們來介紹下新產(chǎn)品IGBT，又稱絕緣柵極雙極性晶體管。

在實際電子應(yīng)用中最常見的電子元器件是雙極結(jié)型晶體管 BJT 和 MOS管。

而IGBT（絕緣柵極雙極性晶體管）你可以把 將它 看作 BJT 和 MOS 管的融合體，這是因為IGBT具有 BJT 的輸入特性和 MOS 管的輸出特性。

與它們相比，的IGBT具備更大的功率增益，更高的工作電壓、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。

針對IGBT的以上優(yōu)勢，本期文章我們來討論工業(yè)電機驅(qū)動應(yīng)用中IGBT實現(xiàn)短路保護的問題。

首先來看IGBT的短路耐量

一開始IGBT的人認為短路能力就是看短路耐量的長短。但其實在很多情況下，其短路耐量是無法表征實際的短路能力。事實上，短路耐量實際上是一種熱失效，并且是在芯片熱量分布相對比均勻的情況下的一種失效，并且它的短路耐受時間與其跨導(dǎo)或增益有關(guān)。

一般情況下，更高的增益導(dǎo)致IGBT內(nèi)的短路電流會更高，因此增益較低的IGBT具備較低的短路電平。然而，較高增益同樣會導(dǎo)致較低的通態(tài)導(dǎo)通損耗。

這個時候就要進行權(quán)衡取舍了。

隨著技術(shù)的發(fā)展，IGBT逐漸增加了短路電流電平，又降低短路耐受時間的優(yōu)勢。這使得它的芯片尺寸更小，縮小了模塊的尺寸。

IGBT過流保護

對于IGBT而言，它并非屬于故障安全元件，因此在遇見故障時，它可能會直接導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個驅(qū)動出現(xiàn)故障。因此，對于過流保護，需要通過電流測量或飽檢測來實現(xiàn)。

比如，在進行電流測量時，逆變器和相位輸出需要加入分流電阻等測量器件，以便應(yīng)對直筒故障和電機繞組故障。控制器或者或柵極驅(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。

正常工作時，IGBT的集電極-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。這會導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快速升高。

在上述中正常的電壓電平表示存在短路，通常在去飽和時，柵極-發(fā)射極電壓會存在過低，且IGBT沒能完全驅(qū)動值飽和區(qū)，這時就要仔細檢測以防誤觸發(fā)。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)。

正常工作下，建議柵極驅(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。這可以通過較低的驅(qū)動器阻抗和柵極驅(qū)動電阻來實現(xiàn)。如若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)電流變化會較大。

因此，為降低di/dt以及其它潛在破壞性的過壓電平，在關(guān)斷IGBT時，提供阻抗較高的關(guān)斷路徑很重要。

那么，除了上述的檢測方法以外，在對IGBT的選型上也是十分重要的。在大部分的IGBY規(guī)格書，一般都會規(guī)定其短路電流指標，而我們要注意的有以下幾個參數(shù)：

1. VCC電壓，即在短路測試中的Vce電壓，或者說是短路測試的母線電容電壓；

2. Vge電壓，即驅(qū)動電壓；

3. Rg驅(qū)動電阻

4. 測試溫度，一般是25℃，也存在120℃或者150℃

5. 部分規(guī)格書還有短路測試的最大重復(fù)次數(shù)。

IGBT具有以下優(yōu)點：

1.具有更高的電壓和電流處理能力。

2.具有非常高的輸入阻抗。

3.可以使用非常低的電壓切換非常高的電流。

4.電壓控制裝置，即它沒有輸入電流和低輸入損耗。

5.柵極驅(qū)動電路簡單且便宜，降低了柵極驅(qū)動的要求

6.通過施加正電壓可以很容易地打開它，通過施加零電壓或負電壓可以很容易地關(guān)閉它。

7.具有低導(dǎo)通電阻，高電流密度，使其能夠具有更小的芯片尺寸。

8.具有比 BJT 和 MOS 管更高的功率增益、更高的開關(guān)速度

9.可以使用低控制電壓切換高電流電平。