O 引言 目前，功率模塊正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。功率模塊為機電一體化設(shè)備中弱電與強電的連接提供了理想的接口。 在任何運行狀態(tài)下，功率模塊都需要受到保護，以避免其承受不允許的電流應(yīng)力，也就是說，避免功率模塊的運行區(qū)超出所給定的安全工作區(qū)。 超出安全工作區(qū)運行將導(dǎo)致功率模塊受損傷，其壽命會由此而縮短。情況嚴(yán)重時還會立刻導(dǎo)致功率模塊的損壞。 因此，最重要的是先檢測出臨界的電流狀態(tài)和故障，然后再去恰當(dāng)?shù)仨憫?yīng)它們。 本文的敘述主要是針對IGBT的過電流保護，但是，也可以類推應(yīng)用到功率MOSFET。 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。它可以由錯誤的控制或負(fù)載引起。 故障電流可通過以下機理導(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）動態(tài)雪崩擊穿； 3）靜態(tài)或動態(tài)的擎住效應(yīng)； 4）由過電流引起的過電壓。 故障電流可進一步劃分為過電流、短路電流及對地故障電流。 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。 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； 一一由于錯誤的驅(qū)動信號而引起。 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在過載及短路時的特性 2.1 過電流 原則上，器件在過電流時的開關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運行時的特性相比并沒有什么不同。由于較大的負(fù)載電流會引起功率模塊內(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，不僅僅是過載時結(jié)溫的絕對值，而且連過載時的溫度變化范圍都是限制性因素。 幾個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，它們在一定的外部條件下可以承受短路，然后被關(guān)斷，而器件不會產(chǎn)生損壞。 在考察短路時（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)動參數(shù)（驅(qū)動電壓、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。對于IGBT來說，典型值最高可達到額定電流的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為甚之。 為了解釋這個過程，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)一個動態(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（時間段2）。這期間，回路的寄生電感將感應(yīng)出一個電壓，其表現(xiàn)為IGBT的過電壓。 在短路電流穩(wěn)定后（時間段3），短路電流被關(guān)斷。此時換流回路中的電感Lx將在IGBT上再次感應(yīng)一個過電壓（時間段4）。 IGBT在短路過程中所感應(yīng)的過電壓可能會是其正常運行時的數(shù)倍，如圖5所示。 為保證安全運行，必須滿足下列重要的臨界條件： 1）短路必須被檢測出，并在不超過lOμs的時間內(nèi)關(guān)閉； 2）兩次短路的時間間隔最少為1s； 3）在IGBT的總運行時間內(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)有著一個優(yōu)點（對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 故障的檢測和保護 逆變器中的故障電流可以在不同的節(jié)點檢測，對被檢測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，前提是故障電流在功率模塊內(nèi)部被檢測到，并且功率模塊由驅(qū)動器直接關(guān)斷。功率模塊的總響應(yīng)時間可能只有數(shù)十ns。 若故障電流檢測位于功率模塊之外，則故障電流信號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。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)對過載的反應(yīng)）。 3.1 故障電流的檢測 圖7給出了一個電壓型逆變電路。在這里，可能檢測到故障電流的測試點均被注出。 故障電流的檢測可以作如下劃分： 1）過電流 可在①～⑦點檢測； 2）橋臂直通短路 可在①～④和⑥～⑦點檢測； 3）負(fù)載短路 可在①～⑦點檢測； 4）對地短路 可在①、③、⑤、⑥點檢測，或通過汁算①與②點電流之差而得到。 原則上，控制短路電流要求快速的保護措施，以在驅(qū)動電路的輸出端實現(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點③、④、⑥和⑦處檢測。 在①～⑤點的測量可以通過測量分流器或感應(yīng)式電流變換器來實現(xiàn)。 3.1.1 測量用分流器 1）測量方法簡單； 2）要求低電阻（1O～lOOmΩ）、低電感的功率分流器； 3）測量信號對干擾高度靈敏； 4）測量信號不帶電位隔離。 3．1．2 測量用電流互感器 1）遠較分流器復(fù)雜； 2）與分流器相比較，測量信號不易受干擾； 3）測量值已被隔離。 在測試點⑥和⑦，故障電流的檢測可以直接在IGBT或MOSIEET的端子處進行。在這里，保護方法可以是vCEsat或vDS（os）檢測（間接測暈），或者是鏡像電流槍測。后者采用一個傳感器一小部分的檢測IGBT單元的辦法來反映主電流（直接測量）。圖8給出了原理電路圖。 3.1.3 用鏡像ICBT來檢測電流 在一個鏡像IGBT中，一小部分的ICBT單元和一個用于檢測的發(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量電阻，便可以獲得其信息。在Rsense=0時，兩個發(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，則測量電路中導(dǎo)通的電流將因測量信號的反饋而減小。 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，因為反向續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流峰值的作用，電流檢測必須關(guān)閉（在硬開關(guān)電路中）。 若檢測電阻趨于無限大時（Rsense→∞），則其測量電壓等于集電極一發(fā)射極飽和電壓。因此，鏡像電流檢測轉(zhuǎn)化為vCEsat檢測。 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地短路情況下，功率模塊可以獲得更好的保護。 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，進而產(chǎn)生一個動態(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行，必須對功率模塊考慮過電流保護措施。首先，應(yīng)能在最短的時間內(nèi)檢測到過電流故障，然后，采取適當(dāng)?shù)姆绞奖Ｗo功率模塊。 有時候，在過電流發(fā)生時，立即關(guān)斷功率模塊并不是最佳方式。一個極為簡單的動態(tài)柵極控制的保護方式是，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。