IGBT的過電流保護

　　IGBT的過流保護電路可分為兩類:一類是低倍數(shù)(1.2 ~ 1.5倍)過載保護；一種是高倍數(shù)(高達8 ~ 10倍)短路保護。

　　對于過載保護，不需要快速響應(yīng)，可以采用集中保護，即檢測輸入端或DC鏈路的總電流。當(dāng)該電流超過設(shè)定值時，比較器翻轉(zhuǎn)并阻斷所有IGBT驅(qū)動器的輸入脈沖，從而使輸出電流降至零。這種過載電流保護一旦激活，只能通過復(fù)位恢復(fù)正常運行。

　　IGBT能短時間耐受短路電流，耐受短路電流的時間與IGBT的飽和壓降有關(guān)，隨著飽和壓降的增大而延長。比如飽和壓降小于2V的IGBT可以承受短路時間小于5μs，飽和壓降3V的IGBT可以承受短路時間長達15μs，在4 ~ 5v可以達到30μs以上。存在上述關(guān)系是因為隨著飽和導(dǎo)通壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，同時短路電流增大。短路期間的功耗隨著電流的平方增加，導(dǎo)致承受短路的時間迅速減少。

　　通常有兩種保護措施:軟關(guān)斷和降低柵極電壓。軟關(guān)斷是指在發(fā)生過流和短路時，直接關(guān)斷IGBT。而軟關(guān)斷抗干擾能力差，一旦檢測到過流信號就會關(guān)斷，容易造成誤動作。為了提高保護電路的抗干擾能力，可以在故障信號和保護電路啟動之間加一個延時，但是在這個延時期間故障電流會急劇上升，大大增加了功率損耗，也導(dǎo)致了器件的di/dt的增加。因此，保護電路經(jīng)常被啟動，而設(shè)備仍然是壞的。

　　降低柵極電壓的目的是當(dāng)檢測到器件過電流時立即降低柵極電壓，但器件保持導(dǎo)通。柵壓降低后有一個固定的延時，在這個延時期間故障電流被限制在一個很小的值，降低了器件發(fā)生故障時的功耗，延長了器件的抗短路時間，并且可以降低器件關(guān)斷時的di/dt，對器件保護非常有利。如果延時后故障信號仍然存在，則器件關(guān)閉，如果故障信號消失，驅(qū)動電路可以自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)，大大增強了抗干擾能力。

　　上述降低柵壓的方法只考慮了柵壓與短路電流的關(guān)系，而在實際中，降低柵壓的速度也是一個重要因素，它直接決定了故障電流降低的di/dt。慢柵壓降技術(shù)是通過限制柵壓下降的速度來控制故障電流下降的速率，從而抑制dv/dt和uce的峰值。圖5示出了實現(xiàn)慢柵極壓降的具體電路。

　　圖5實現(xiàn)緩慢柵壓下降的電路

　　在正常操作期間，由于故障檢測二極管VD1的導(dǎo)通，點A處的電壓被箝位在齊納二極管VZ1的擊穿電壓以下，并且晶體管VT1總是保持關(guān)斷。V1通常通過驅(qū)動電阻Rg來開啟和關(guān)閉。電容C2為硬開關(guān)應(yīng)用提供了很小的延遲，使得uce在V1導(dǎo)通時有一定的時間從高壓下降到導(dǎo)通態(tài)壓降，而不使保護電路工作。

　　當(dāng)電路發(fā)生過流和短路故障時，V1上的uce上升，A點的電壓也相應(yīng)上升。當(dāng)達到一定值時，VZ1擊穿，VT1導(dǎo)通，B點電壓下降。電容器C1通過電阻器R1充電，電容器電壓從零開始上升。當(dāng)電容器電壓上升到大約1.4V時，晶體管VT2導(dǎo)通，并且柵極電壓uge隨著電容器電壓的增加而下降。通過調(diào)節(jié)C1的值，可以控制電容器的充電速度，從而控制它。當(dāng)電容電壓上升到齊納二極管VZ2的擊穿電壓時，VZ2擊穿，uge箝位在一個固定值，慢慢降低柵極電壓的過程結(jié)束。同時，驅(qū)動電路通過光耦輸出過流信號。如果故障信號在延遲期間消失，A點的電壓降低，VT1回到截止?fàn)顟B(tài)，C1通過R2放電， D點電壓上升，VT2返回截止，uge上升，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

　　IGBT開關(guān)過程中的過電壓

　　當(dāng)IGBT關(guān)斷時，其集電極電流將高速下降，尤其是在短路故障的情況下。如果不采取軟關(guān)斷措施，其臨界電流將降低幾Ka/μ s..極高的電流下降率會在主電路的分布電感上感應(yīng)出很高的過電壓，導(dǎo)致IGBT在關(guān)斷時損壞。所以從關(guān)斷的角度來說，希望主電路的電感和電流下降率越小越好。但對于IGBT的開通，集電極電路的電感有助于抑制續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流和電容充放電引起的峰值電流，降低開通損耗，承受更高的開通電流上升率。一般來說，IGBT開關(guān)電路的集電極不需要串聯(lián)電感， 并且可以通過改善柵極驅(qū)動條件來控制其導(dǎo)通損耗。