用于风力发电系统的大功率IGBT短路保护的研究

用于风力发电系统的大功率IGBT短路保护的研究
风力发电/短路保护/有源电压箝位技术
1引言
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）被广泛用于各类PWM变流器，如UPS、变频器、有源电力滤波器等。

随着IGBT制造工艺的发展，如今，IGBT的额定电流和电压已分别提升到3600A和6500V，由大功率IGBT 构成的现代化兆瓦级变流器，广泛出现在各类工业应用当中，尤其是近年来，随着新能源发电技术的发展，中大功率IGBT得到了更为广泛的应用。

随着变流器容量的提升，变流器在整个系统的成本以及可靠性中所占的比重日益增大，因此，兆瓦级变流器的可靠性成为广泛关注的问题。

本文针对IGBT变流器中的短路故障问题，详细分析了IGBT的短路特性，总结了各种短路电流检测方法，提出一种有效的有源短路保护方法，通过实验证明了其有效性。

2短路时IGBT失效的原因
短路故障是电力电子装臵中常见的故障之一。

电机绕组绝缘击穿、电机电缆绝缘击穿、误操作、驱动指令错误、不足的死区时间……，都会造成短路故障的发生。

通常，IGBT短路故障致使IGBT损坏的原因主要有以下三种。

总的来说，这三种原因都可以归结为器件中硅材料或焊接导线的热效应所引起。

(1)超出硅材料的热极限
短路过程中，IGBT承受整个V DC电压，同时IC为正常电流的若干倍。

IGBT将承受远大于正常运行状态下的损耗，从而使得IGBT的结温迅速升高[2]。

如果结温超过了允许的最高结温，IGBT将因热积累作用失去阻断能力[1]。

V CE将迅速降低，随后整个器件完全损坏。

通常，IGBT生产厂家都会保证在特定情况下10μs的短路耐受时间。

(2)IGBT擎住效应
在IGBT中存在一个寄生的npn三极管，正常运行情况下，这个npn三极管被扩散电阻旁路，不会开通[1]。

然而，在IC很大的情况下，例如短路发生时，这个npn 三极管将开通，这样IGBT门极将失去对IGBT的控制力。

最终，IGBT将因为过大的电流使芯片和焊接导线上产生过大的损耗而损坏。

(3)V CE过电压
在保护电路控制IGBT主动关断由于短路引起的大电流时，由于分布电感的存在会产生V CE过电压，V CE超过了特定的限制。

IGBT将因雪崩击穿而损坏；与短路电流相等的I C将集中于一块很窄的硅上从而产生一个高温的热点，因此，IGBT失去它的阻断能力，并在几十ns内失去电压。

为了防止由于这类原因造成IGBT失效，除了主回路的分布电感应尽可能地小[4]，还需要一种带有V CE控制的门极驱动器。

3短路故障的关断过电压
通常情况下，IGBT短路故障被分为两类，开通短路（HSF）和通态短路（FUL）。

开通短路是指负载短路发生在IGBT开通过程中，如图1a)所示。

IGBT在t1时刻开始开通，I C迅速升高！d IC/d t由门极驱动电路的特性和IGBT的跨导决定。

V CE先下降，很短时间后重新开始上升，稳态时，V CE略低于IGBT断态电压——直流侧电压V DC。

a) 开通短路
b) 通态短路
图1两种IGBT短路故障特性
通态短路是指在IGBT已经开通进入稳定导通状态之后，负载发生短路，如图1b)所示。

短路发生后，I C上升，d IC/d t由短路阻抗和直流侧电压V DC决定。

当I C升高至由门极电压VGE和IGBT跨导所决定的稳态最大电流后，IGBT将退出饱和区，V CE开始升高。

V CE的升高将通过米勒电容C GC耦合一个电流对IGBT门极进行充电，从而使得V GE升高。

V GE的升高将使得IC继续增大，从而使得I C表现出很大的过冲，这将导致IGBT擎住现象发生甚至毁坏。

仔细观察图1中V CE曲线，可以发现，在短路过程中，V CE出现两次过冲。

第一次过冲是因为IGBT自身的限流作用，第二次是因为人为的IGBT关断指令。

通常，第二次电压过冲是很高的，如果没有进行妥善的处理，可能造成IGBT因为VCE过电压而损坏。

本文主要针对解决此问题，从门极驱动器的角度，展示了一种解决方法，保护IGBT免于由于此类故障损坏。

图2换流回路的等效电路
IGBT关断过电压是存储在主回路分布电感中的能量重新分配的结果，无论何时，只要流经IGBT、母排、直流侧电容的电流发生换向，关断过电压都将出现。

在如图2所示的等效电路图中，可得V CE如下：
(1)
其中，L q包括了母排中的电感，直流侧电容中的等效串联电感以及IGBT封装中的电感。

V DFY表示反并联二极管的正向恢复电压，通常为10到50V[3]。

为了保证V CE在IGBT的额定范围以内换流电流变化率必须满足下式。

(2)
4短路时关断过电压的抑制方法
4.1 传统保护方法
传统IGBT驱动器的控制框图如图3所示。

正常运行时，IGBT经R G_ON开通，经R G_OFF 关断。

当短路或过流故障发生时，为了限制关断过电压，IGBT经阻值较大的电阻R G_FAULT 关断。

这将使V GE缓慢下降，从而消除显著的关断过电压。

然而，这是一种开环的控制方法，无法完全保证IGBT在任何情况下都能够安全的关断。

同时，任何短路检测方法都需要一定的检测时间，如果IGBT关断信号在短路故障检测出之前使能，IGBT 将经R G_OFF关断，这样一来，IGBT损坏将不可避免。

图3传统的驱动电路
4.2 有源电压箝位技术
对于传统驱动器中存在的问题，本文中使用一种被称为“有源电压箝位技术”的方法[3]，设计了一种闭环的保护驱动电路，如图4所示。

图4所采用的闭环保护方法示意图
图4中Z为瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管为一种瞬态冲击电压保护器件，反应时间可以达到ns级。

相比压敏电阻，其反应速度快，然而瞬态容量和稳态容量都远小于压敏电阻。

在检测到短路故障之后，IGBT经R G_FAULT关断，当V CE升高至瞬态抑制二极管的击穿电压时，电流通过瞬态抑制二极管向IGBT门极充电，提升IGBT的门极电压V GE，随着V CE的继续升高，流过瞬态抑制二极管的电流将增大，从而动态的改变d IC/d t，实现了关于V CE的闭环保护。

5实验结果
实验的等效电路图如图2所示。

验证性实验使用一只INFINEON公司的半桥IGBT
模块FF450R17ME3作为功率开关，9只低感薄膜电容——每只225μF/1200V——组成直流侧电容，功率开关与直流侧电容通过基于印刷电路板的叠形母排连接，以保证较低的主回路分布电感。

FF450R17ME3为采用INFINEON公司第三代IGBT芯片技术，具有更低的导通压降，更快的开关速度，同时，采用了新的ECONODUAL封装模式，保证了IGBT封装内部更低的分布电感。

图5试验工作台
驱动板采用INFINEON的1700V IGBT驱动器2ED300C17 作为核心器件，提供良好的隔离和两路隔离的正负 30A的峰值驱动电流能力，以及过流保护、欠压保护等。

通过实时检测导通时的VCE电压，能够快速判定短路故障，及时控制门极电平，实现IGBT的软关断。

其故障状态下的软关断功能和有源电压箝位功能共同作用，有效地抑制了在故障状态下关断IGBT时产生的高di/dt，降低了IGBT两端的关断过电压，保证在最严重的的短路下实现安全有效的保护。

a)开通短路实验波形
b)通态短路试验波形
图6短路实验结果(VDC=1200V)
在VDC=1200V下进行了短路试验，试验波形如图6所示。

可见，在关断开通短路电流和通态短路电流时，VCEMAX被可靠地箝位在1350V，小于VCES（1700V），使IGBT工作于安全工作区间内，有效地保护了IGBT，所采用的有源电压箝位技术达到了预期的效果。

6结束语
本文针对高压大容量IGBT的短路故障，分析了IGBT的短路特性，基于已有的IGBT 驱动器和有源电压箝位技术，设计了一种闭环控制IGBT关断过电压的驱动电路。

通过实验证明，这种电路可以提高IGBT短路保护的可靠性。

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