如何處理工業(yè)電機驅(qū)動IGBT過流和短路保護問題？

工業(yè)電機驅(qū)動的整個市場趨勢是對更高效率以及可靠性和穩(wěn)定性的要求不斷提高。有關(guān)增加絕緣柵極雙極性晶體管（IGBT）導(dǎo)通損耗的一些權(quán)衡取舍是：更高的 短路電流電平、更小的芯片尺寸，以及更低的熱容量和短路耐受時間。這凸顯了柵極驅(qū)動器電路以及過流檢測 和保護功能的重要性。以下內(nèi)容討論了現(xiàn)代工業(yè)電機驅(qū)動中成功可靠地實現(xiàn)短路保護的問題，同時提供三相電機控制應(yīng)用中隔離式柵極驅(qū)動器的實驗性示例。

　　工業(yè)環(huán)境中的短路有哪些？

　　工業(yè)電機驅(qū)動器的工作環(huán)境相對惡劣，可能出現(xiàn)高溫、交流線 路瞬變、機械過載、接線錯誤以及其它突發(fā)情況。其中有些事 件可能會導(dǎo)致較大的過流流入電機驅(qū)動器的功率電路中。圖1顯 示了三種典型的短路事件。

　　圖1. 工業(yè)電機驅(qū)動中的典型短路事件

　　它們是：

　　逆變器直通。這可能是由于不正確開啟其中一條逆變器橋臂 的兩個IGBT所導(dǎo)致的，而這種情況又可能是因為遭受了電磁 干擾或控制器故障。它也可能是因為臂上的其中一個IGBT磨 損/故障導(dǎo)致的，而正常的IGBT保持開關(guān)動作。

　　相對相短路。這可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件 導(dǎo)致電機繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。

　　相線對地短路。這同樣可能是因為性能下降、溫度過高或過 壓事件導(dǎo)致電機繞組和電機外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的。

　　一般而言，電機可在相對較長的時間內(nèi)（毫秒到秒，具體取決于 電機尺寸和類型）吸收極高的電流；然而，IGBT——工業(yè)電機驅(qū) 動逆變器級的主要部分——短路耐受時間為微秒級。

　　IGBT短路耐受能力

　　IGBT短路耐受時間與其跨導(dǎo)或增益以及IGBT芯片熱容量有關(guān)。更 高的增益導(dǎo)致IGBT內(nèi)的短路電流更高，因此顯然增益較低的IGBT 具有較低的短路電平。然而，較高增益同樣會導(dǎo)致較低的通態(tài) 導(dǎo)通損耗，因而必須作出權(quán)衡取舍。1 IGBT技術(shù)的發(fā)展正在促成增 加短路電流電平，但降低短路耐受時間這一趨勢。此外，技術(shù) 的進步導(dǎo)致使用芯片尺寸更小，2 縮小了模塊尺寸，但降低了熱 容量，以至耐受時間進一步縮短。另外，還與IGBT集電極-發(fā)射 極電壓有很大關(guān)系，因而工業(yè)驅(qū)動趨向更高直流總線電壓電平 的并行趨勢進一步縮減了短路耐受時間。過去，這一時間范圍 是10 μs，但近年來的趨勢是在往5 μs3 以及某些條件下低至1 μs方 向發(fā)展。4 此外，不同器件的短路耐受時間也有較大的不同，因 此對于IGBT保護電路而言，通常建議內(nèi)建多于額定短路耐受時 間的額外裕量。

　　IGBT過流保護

　　無論出于財產(chǎn)損失還是安全方面的考量，針對過流條件的IGBT 保護都是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵所在。IGBT并非是一種故障安全元 件，它們?nèi)舫霈F(xiàn)故障則可能導(dǎo)致直流總線電容爆炸，并使整個驅(qū)動出現(xiàn)故障。5 過流保護一般通過電流測量或去飽和檢測來實 現(xiàn)。圖2顯示了這些技巧。對于電流測量而言，逆變器臂和相位 輸出都需要諸如分流電阻等測量器件，以便應(yīng)付直通故障和電 機繞組故障?？刂破骱?或柵極驅(qū)動器中的快速執(zhí)行跳變電路必 須及時關(guān)斷IGBT，防止超出短路耐受時間。這種方法的最大好 處是它要求在每個逆變器臂上各配備兩個測量器件，并配備一 切相關(guān)的信號調(diào)理和隔離電路。只需在正直流總線線路和負直 流總線線路上添加分流電阻即可緩解這種情況。然而，在很多 情況下，驅(qū)動架構(gòu)中要么存在臂分流電阻，要么存在相位分流 電阻，以便為電流控制環(huán)路服務(wù)，并提供電機過流保護；它們 同樣可能用于IGBT過流保護——前提是信號調(diào)理的響應(yīng)時間足 夠快，可以在要求的短路耐受時間內(nèi)保護IGBT。

　　圖2. IGBT過流保護技術(shù)示例

　　去飽和檢測利用IGBT本身作為電流測量元件。原理圖中的二極 管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓在導(dǎo)通期間僅受到檢測電路的監(jiān) 控；正常工作時，集電極-發(fā)射極電壓非常低（典型值為1 V至4 V）。 然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅(qū)動IGBT退出 飽和區(qū)并進入線性工作區(qū)的電平。這導(dǎo)致集電極-發(fā)射極電壓快 速升高。上述正常電壓電平可用來表示存在短路，而去飽和跳 變閾值電平通常在7 V至9 V區(qū)域內(nèi)。重要的是，去飽和還可表示 柵極-發(fā)射極電壓過低，且IGBT未完全驅(qū)動至飽和區(qū)。進行去飽 和檢測部署時需仔細，以防誤觸發(fā)。這尤其可能發(fā)生在IGBT尚 未完全進入飽和狀態(tài)時，從IGBT關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到IGBT導(dǎo)通狀態(tài)期 間。消隱時間通常在開啟信號和去飽和檢測激活時刻之間，以 避免誤檢。通常還會加入電流源充電電容或RC濾波器，以便在 檢測機制中產(chǎn)生短暫的時間常數(shù)，過濾噪聲拾取導(dǎo)致的濾波器 雜散跳變。選擇這些濾波器元件時，需在噪聲抗擾度和IGBT短 路耐受時間內(nèi)作出反應(yīng)這兩者之間進行權(quán)衡。