功率模塊的過電流保護(hù)

1 故障電流的種類
故障電流是指超過安全工作區(qū)的集電極或漏極電流。它可以由錯(cuò)誤的控制或負(fù)載引起。
故障電流可通過以下機(jī)理導(dǎo)致功率半導(dǎo)體的損壞；
1)由高功率損耗導(dǎo)致的熱損壞；
2)動(dòng)態(tài)雪崩擊穿；
3)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的擎住效應(yīng)；
4)由過電流引起的過電壓。
故障電流可進(jìn)一步劃分為過電流、短路電流及對(duì)地故障電流。
1.1 過電流
特征：
1)集電極電流的di／dt低(取決于負(fù)載電感和驅(qū)動(dòng)電壓)；
2)故障電流通過直流母線形成回路；
3)功率模塊沒有離開飽和區(qū)。
起因：
1)負(fù)載阻抗降低；
2)逆變器控制出錯(cuò)。
1.2 短路電流
特征：
1)集電極電流急劇上升；
2)故障電流通過直流母線形成回路；
3)功率模塊脫離飽和區(qū)。
起因：
1)橋臂直通短路(圖l中的情況1)
一一由于功率模塊失效而引起；
一一由于錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而引起。
2)負(fù)載短路電流(圖l中的情況2)
一一由于絕緣失效而引起；
一一由于人為的失誤而引起(例如誤接線)。
1．3 對(duì)地故障電流
圖l中的情況3。

特征：
1)集電極電流的上升速度取決于接地電感和作用于回路的電壓；
2)對(duì)地故障電流不經(jīng)過直流母線形成封閉回路；
3)功率模塊脫離飽和區(qū)與否取決于故障電流的大小。
起因：
由于絕緣的失效或人為的失誤使帶電導(dǎo)線和大地電位之間存在連接。

2 ICBT和MOSFET在過載及短路時(shí)的特性
2.1 過電流
原則上，器件在過電流時(shí)的開關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運(yùn)行時(shí)的特性相比并沒有什么不同。由于較大的負(fù)載電流會(huì)引起功率模塊內(nèi)較高的損耗，所以，為了避免超過最大的允許結(jié)溫，功率模塊的過載范圍應(yīng)該受到限制。
在這里，不僅僅是過載時(shí)結(jié)溫的絕對(duì)值，而且連過載時(shí)的溫度變化范圍都是限制性因素。
幾個(gè)ICBT和MOSFET的具體的限定值，由圖2所示的典型功率模塊的安全工作區(qū)給出。

2．2 短路
原則上，ICBT和MOSFET都是安全短路器件。也就是說，它們?cè)谝欢ǖ耐獠織l件下可以承受短路，然后被關(guān)斷，而器件不會(huì)產(chǎn)生損壞。
在考察短路時(shí)(以IGBT為例)，要區(qū)分以下的兩種情況。
1)短路I
短路I是指功率模塊開通于一個(gè)已經(jīng)短路的負(fù)載回路中。也就是說，在正常情況下的直流母線電壓全部降落在功率模塊上。短路電流的上升速度由驅(qū)動(dòng)參數(shù)(驅(qū)動(dòng)電壓、柵極電阻)所決定。由于短路回路中寄生電感的存在，這一電流的變化將產(chǎn)生一個(gè)電壓降，其表現(xiàn)為集電極一發(fā)射極電壓特性上的電壓陡降，如圖3所示。

穩(wěn)態(tài)短路電流值山功率模塊的輸出特性所決定。對(duì)于IGBT來說，典型值最高可達(dá)到額定電流的8~10倍。
2)短路Ⅱ
在此情形下，功率模塊在短路發(fā)生前已經(jīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)。和短路Ⅱ情形相比較，功率模塊所受的沖擊遠(yuǎn)為甚之。
為了解釋這個(gè)過程，圖4顯示了短路Ⅱ的等效電路圖及其定性的特性曲線。

一旦短路發(fā)生，集電極電流迅速上升，其上升速度由直流母線電壓VDC和短路回路中的電感所決定。
在時(shí)間段1內(nèi)，IGBT脫離飽和區(qū)。集電極一發(fā)射極電壓的快速變化將通過柵極 集電極電容產(chǎn)生一個(gè)位移電流，該位移電流又引起柵極一發(fā)射極電壓升高，具結(jié)果是出現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的短路峰值電流IC/SCM。
在IGBT完全脫離飽和區(qū)后，短路電流趨于其穩(wěn)態(tài)值(時(shí)間段2)。這期間，回路的寄生電感將感應(yīng)出一個(gè)電壓，其表現(xiàn)為IGBT的過電壓。
在短路電流穩(wěn)定后(時(shí)間段3)，短路電流被關(guān)斷。此時(shí)換流回路中的電感Lx將在IGBT上再次感應(yīng)一個(gè)過電壓(時(shí)間段4)。
IGBT在短路過程中所感應(yīng)的過電壓可能會(huì)是其正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)倍，如圖5所示。

為保證安全運(yùn)行，必須滿足下列重要的臨界條件：
1)短路必須被檢測(cè)出，并在不超過lOμs的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉；
2)兩次短路的時(shí)間間隔最少為1s；
3)在IGBT的總運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，其短路次數(shù)不得大于1000次。
短路I和短路Ⅱ均將在功率模塊中引起損耗，從而使結(jié)溫卜升。在這里，集電極一發(fā)射極電壓的正溫度系數(shù)有著一個(gè)優(yōu)點(diǎn)(對(duì)漏源電壓也同樣適用)，它使得穩(wěn)態(tài)短路期間的集電極電流得以降低，如圖6所示。

3 故障的檢測(cè)和保護(hù)
逆變器中的故障電流可以在不同的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)被檢測(cè)到的故障電流的反應(yīng)也可能各不相同。
這里將討論快速保護(hù)，前提是故障電流在功率模塊內(nèi)部被檢測(cè)到，并且功率模塊由驅(qū)動(dòng)器直接關(guān)斷。功率模塊的總響應(yīng)時(shí)間可能只有數(shù)十ns。
若故障電流檢測(cè)位于功率模塊之外，則故障電流信號(hào)首先被送至逆變器的控制板，并從那里出發(fā)并觸發(fā)故障反應(yīng)程序，這一過程被稱作慢保護(hù)。此過程甚至還可以由逆變器的控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)來處理(例如，系統(tǒng)對(duì)過載的反應(yīng))。
3.1 故障電流的檢測(cè)
圖7給出了一個(gè)電壓型逆變電路。在這里，可能檢測(cè)到故障電流的測(cè)試點(diǎn)均被注出。

故障電流的檢測(cè)可以作如下劃分：
1)過電流 可在①~⑦點(diǎn)檢測(cè)；
2)橋臂直通短路 可在①~④和⑥~⑦點(diǎn)檢測(cè)；
3)負(fù)載短路 可在①~⑦點(diǎn)檢測(cè)；
4)對(duì)地短路 可在①、③、⑤、⑥點(diǎn)檢測(cè)，或通過汁算①與②點(diǎn)電流之差而得到。
原則上，控制短路電流要求快速的保護(hù)措施，以在驅(qū)動(dòng)電路的輸出端實(shí)現(xiàn)直接控制，原因是在短路發(fā)生后功率模塊必須在lOμs之內(nèi)關(guān)閉。為此，故障電流可以在檢測(cè)點(diǎn)③、④、⑥和⑦處檢測(cè)。
在①~⑤點(diǎn)的測(cè)量可以通過測(cè)量分流器或感應(yīng)式電流變換器來實(shí)現(xiàn)。
3.1.1 測(cè)量用分流器
1)測(cè)量方法簡(jiǎn)單；
2)要求低電阻(1O~lOOmΩ)、低電感的功率分流器；
3)測(cè)量信號(hào)對(duì)干擾高度靈敏；
4)測(cè)量信號(hào)不帶電位隔離。
3．1．2 測(cè)量用電流互感器
1)遠(yuǎn)較分流器復(fù)雜；
2)與分流器相比較，測(cè)量信號(hào)不易受干擾；
3)測(cè)量值已被隔離。
在測(cè)試點(diǎn)⑥和⑦，故障電流的檢測(cè)可以直接在IGBT或MOSIEET的端子處進(jìn)行。在這里，保護(hù)方法可以是vCEsat或vDS（os）檢測(cè)(間接測(cè))，或者是鏡像電流槍測(cè)。后者采用一個(gè)傳感器一小部分的檢測(cè)IGBT單元的辦法來反映主電流(直接測(cè)量)。圖8給出了原理電路圖。

3.1.3 用鏡像ICBT來檢測(cè)電流
在一個(gè)鏡像IGBT中，一小部分的ICBT單元和一個(gè)用于檢測(cè)的發(fā)射極電阻相結(jié)合，且并聯(lián)于主IGBT的電流臂上。一旦導(dǎo)通的集電極電流通過測(cè)量電阻，便可以獲得其信息。在Rsense=0時(shí)，兩個(gè)發(fā)射極之間的電流比等于理想值，為鏡像IGBT單元數(shù)與總單元數(shù)之比。如果Rsense增大，則測(cè)量電路中導(dǎo)通的電流將因測(cè)量信號(hào)的反饋而減小。
因此，電阻Rsense應(yīng)被控制在1~5Ω的范圍內(nèi)，以便獲得足夠準(zhǔn)確的集電極電流測(cè)量結(jié)果。
如果用于關(guān)斷的電流門限值只是略大于功率模塊的額定電流，那么在IGBT開通期間，因?yàn)榉聪蚶m(xù)流二極管反向恢復(fù)電流峰值的作用，電流檢測(cè)必須關(guān)閉(在硬開關(guān)電路中)。
若檢測(cè)電阻趨于無限大時(shí)(Rsense→∞)，則其測(cè)量電壓等于集電極一發(fā)射極飽和電壓。因此，鏡像電流檢測(cè)轉(zhuǎn)化為vCEsat檢測(cè)。
3.2 故障電流的降低
通過降低或限制高額故障電流，特別足在短路和低阻抗的對(duì)地短路情況下，功率模塊可以獲得更好的保護(hù)。
如圖l中所示的那樣，在短路Ⅱ情形下，高dvCE/dt引起柵極――發(fā)射極電壓上升，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)的短路過電流。
短路電流的幅度可以通過柵極――發(fā)射極電壓的箝位來降低。
除了限制動(dòng)態(tài)短路過電流外，穩(wěn)態(tài)的短路電流也可以通過減小柵極――發(fā)射極電壓的方法來減小。這一方法將減小短路期間功率模塊的損耗，同時(shí)由于需關(guān)斷的短路電流較低，過電壓也隨之降低。其原理見圖9所示。

這一保護(hù)技術(shù)可以將耐沖擊功率模塊的穩(wěn)態(tài)短路電流限制在額定電流的3倍左右。

4 結(jié)語
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，類似IGBT、MOS-FET的功率模塊的應(yīng)用也越來越普及。為了其安全高效地工作運(yùn)行，必須對(duì)功率模塊考慮過電流保護(hù)措施。首先，應(yīng)能在最短的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到過電流故障，然后，采取適當(dāng)?shù)姆绞奖Ｗo(hù)功率模塊。
有時(shí)候，在過電流發(fā)生時(shí)，立即關(guān)斷功率模塊并不是最佳方式。一個(gè)極為簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)柵極控制的保護(hù)方式是，在IGBT和MOSFET過流或短路情況下采用降低柵極――發(fā)射極電壓的方法，減慢關(guān)斷過程。這就是功率模塊的“軟”關(guān)斷過程。