04 IGBT 在系统中的短路及其保护

IGBT驱动电路原理与保护电路IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）驱动电路主要由三部分组成：信号隔离部分、驱动信号放大部分和保护电路。

信号隔离部分是将输入信号与输出信号进行隔离，防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生影响。

常用的信号隔离方法有变压器隔离、光电隔离和互感器隔离等。

其中，光电隔离是最常用的方法之一，它通过输入端的光电耦合器将电信号转换成光信号，通过光电隔离再将光信号转换为电信号输出。

这样可以有效防止输入信号中的噪声和干扰对输出信号产生干扰，提高系统的稳定性和可靠性。

驱动信号放大部分是将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制IGBT的导通和关断。

驱动信号放大部分一般采用功放电路，常用的放大器有晶体管放大器和运放放大器。

通过合理选择放大器的工作点和增益，可以将输入信号进行适当放大，提高系统的灵敏度和响应速度，以确保IGBT的正常工作。

保护电路是为了保护IGBT免受电路中的过电流、过电压等异常情况的损害而设计的。

保护电路一般包括过流保护、过压保护、过温保护和短路保护等功能。

过流保护通过在电路中增加电流传感器来检测电流的变化，一旦电流超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。

过压保护通过在电路中增加电压传感器来检测电压的变化，一旦电压超过设定值就会触发保护，例如通过切断电源来防止IGBT损坏。

过温保护通过在IGBT芯片上增加温度传感器来检测芯片温度的变化，一旦温度超过设定值就会触发保护，例如通过减小驱动信号的幅度来降低功耗和温度。

短路保护通过在电路中增加短路检测电路，一旦检测到短路就会触发保护，例如通过立即切断电源来防止IGBT损坏。

总之，IGBT驱动电路的原理是通过信号隔离部分将输入信号与输出信号进行隔离，通过驱动信号放大部分将输入信号进行放大，以驱动IGBT的门极电压，控制其导通和关断。

同时，通过保护电路对IGBT进行多重防护，保证其在电路异常情况下的正常工作，提高系统的可靠性和稳定性。

IGBT电流的限制电路一．功率晶体管被应用于电力设备来控制电能的转换，用它来作为一种开关，在特定的时刻进行开和关，IGBT的型号由系统的设计者选择，既要考虑正常的工作条件，又要考虑非正常的工作情况，在非正常工作情况下。

IGBT可能承受非常大的浪涌电流，电流的大小经常只能靠IGBT 的自身增益进行限制，在应用上希望器件效率高、承受短路电流的时间长。

由于器件固有的特点，不能够同时追求高效和长的短路时间，因此器件设计上只能在两者间进行折中考虑。

在应用上，短路是不可避免的，电路设计上应设法提高IGBT的工作效率，提高IGBT承受短路电流的能力。

在发生短路时，关断栅极驱动信号。

IGBT的增益高，短路电流越大，但短路时间就短。

相反IGBT的增益低，短路电流的越小，短路时间就越长。

一般短路时间不应超过10us。

在应用上一般通过检测故障电流，当检测到故障电流后，降低栅极驱动电压，限制短路电流，延长短路时间。

IGBT的短路电流具有下面几种效应1．短路电流热效应：如器件受到短路电流冲击，大电流产生的功率损耗将使温度急剧上升，由于芯片的热时间常数小，温度在芯片上的增加速度非常快，当温度增加到芯片的本征温度250°时，器件将失去阻断能力，因此门极不可能控制器件的通断。

通过降低器件的短路电流，减小了短路电流在芯片上的功耗，因而延长了短路电流时间。

2.锁住效应由于四层结构的IGBT有着类似于晶闸管的特性。

在工艺上。

为了防止晶闸管效应一般通过降低等效晶体管的增益和减小等效NPN晶体管的基极电阻rb。

当IGBT在故障关断情况下，由于MOSFET通道的作用，大部分电流通过rb被分流。

此时rb上的压降将使NPN晶体管的基极-发射极处于正向偏置，使晶体管导通从而引起寄生晶闸管工作，产生锁住效应。

在电路设计上，减小故障电流，使故障电流在rb上的压降减小，从而避免晶闸管的锁住效应。

3．过压效应当产生故障电流时，切断故障电流的电流下降率在电感上产生的电压为Ldi/dt。

STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.IGBT 在系统中的短路及其保护何晓东概述本文主要简单探讨IGBT 在低压中小功率系统使用中几种常用的短路保护，着重介绍采用检测Vce 的方式。

简单阐述了短路保护的工作原理以及保护线路设计的合理性。

短路保护方案介绍常用短路保护设计中，电流采样主要有三种方式，分别是： N-BUS （零线）分流电阻检测，输出霍尔检测，Vce 电压检测。

图1通过在母线回路中串联一个阻值很小电阻，根据欧姆定律将电压信号作为作为判别短路的依据。

这种方式具有较高的精度和灵敏度，而且能够保护对地短路，缺点是只适合小功率机器，大电流对电阻的功率要求太高。

随着霍尔的响应时间不断提升，使其不单具有换算电流大小的功能，还可以通过硬件电路实现对短路电流的保护。

由于霍尔检测的响应时间问题，可靠性相对低于其他两种方式。

由于霍尔传感器安装在输出端，所以没有办2010—09—23STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.法保护上下管直通。

光耦保护IGBT是通过检测C-E电压来实现的，根据Vce与Ic之间关系，当Ic迅速上升，Vce跟着上升。

当Vce值上升到达保护点电压，那么光耦就会自身实现软关断，同时将错误信号送给DSP，整个过程一般在5-10us 之间。

由于此类保护灵敏度非常高，精度比较差，所以只适合短路保护。

图2为GD200HFL120C2S的Vce与Ic的关系图，随着Vce的上升，IC上升的幅度在变大，+7V时的Ic，其实远远超出了模块的短路电流。

在做动态短路测试时，L，Vg，tr，tf等参数有严格且稳定的控制，电流一般会被控制在8-10倍的Ic，如图3所示，但在系统上测试短路，由于开关特性、回路负载和干扰，电流往往会上升的比较高。

图2常见的短路保护驱动光耦（一）PC929PC929是变频器行业常见的驱动光耦，自带短路保护功能（PC923无保护），由于其输出峰值电流只有0.4A，在驱动较大功率IGBT时，需要在后端经过对管放大才能驱动IGBT。

IGBT——过流、短路保护短路与过流之前我们介绍过IGBT的短路测试，今天我们来聊聊IGBT短路和过流时该如何保护。

首先一点，对IGBT的过流或短路保护响应时间必须快，必须在10us以内完成。

一般来说，过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障和损坏IGBT的主要原因之一，过流保护应当首先考虑。

过流与短路保护是两个概念，它们既有联系也有区别。

过流大多数是指某种原因引起的负载过载；短路是指桥臂直通，或主电压经过开关IGBT的无负载回路，它们的保护方法也有一定区别。

如过流保护常用电流检也传感器，短路保护常通过检测IGBT饱和压降，配合驱动电路来实现。

不同的功率有不同的方法来实现过流或短路保护。

短路分为一类及二类两种，但这两种短路都有一个共同点，那就是，IGBT会出现“退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的往上升，那么允许持续这种状态的时会非常苛刻了，只有10us，我们需要靠驱动器发现这一行为并关掉门极。

IGBT过流的情况则是，回路电感较大，电流爬升很慢（相对于短路），IGBT不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况要高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT的损耗也会比较高，结温也会迅速上升，从而导致失效。

在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT的饱和压降的变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化。

所以需要靠电流传感器来感知电流的数值，对系统进行保护。

所以，我们认为，IGBT驱动器是为了解决短路保护，而过流保护则是由电流传感器来完成。

IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下，这是一个线性方程。

它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压，回路中的电感量，及整个过程持续的时间有关系。

绝大部分的短路母线电压都是在额定点的影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。

因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。

如果短路回路中的电感量再继续增大，那么电流变化率就变得更低，此时就不是短路了，变成“过流”了。