电力电子系统中驱动器对IGBT保护的分析
0 2022-11-30

1 引言

为确保电力电子组件在非允许工作的条件影响下得到可靠的保护,需要快速和可靠的错误检测及有效的保护措施。在功率模块中,即可通过系统控制器或者通过IGBT驱动器提供错误管理。系统控制器适用于对慢速故障模式做出反应,如超温所导致的过热。相反,需要驱动电子检测和响应突发错误。如今市场上有各种驱动器,它们的适用性、效率和可靠性各不相同。

2 功率转换系统的故障

功率转换系统中的快速错误包括短路和电路引起的过电压。短路是速度最快的错误。

当电力电子系统投入使用时,连接和隔离错误往往是造成短路的因素,而在现场应用中,短路可能归因于故障组件。

如果短路发生在负载通道或者桥接旁路,IGBT的集电极电流完全增大,造成晶体管饱和。如今市场上的IGBT模块只能防短路很短的时间。为了防止IGBT被热负荷摧毁,在安全时间内检测到短路并且可靠地关断IGBT是至关重要的。

驱动器的电子电路可通过测量di/dt或者监测VCE 检测短路。

图 1 (a) di/dt检测电路图 ;(b) VCE 监测电路图

di/dt检测电路见图1(a),驱动器通过电子线路测量IGBT中电流的变化率。辅助和功率发射极间的杂散电感上的压降正比于集电极电流的变化率(di/dt)。通过将电压与参考电压相比较,可以检测出快速的短路。为了监测缓慢短路,该方法在键合线及功率和辅助发射极间的内部母线中使用阻性元件。然而,此方法还取决于用于电源连接的螺丝连接。这些显示了一定的接触电阻特性分布,并要考虑与其他电阻元件的串联。这要求精确地适应给定的系统。一般来说,di/dt检测只能用于带有辅助发射极输出的IGBT模块。

VCesat 监测(图1b)是通过集电极电流与通态电压的关系曲线实现的。为此,集电极-发射极电压被测量,并通过一个比较器与一个参考电压相比较。如果电压读数超过参考电压,驱动器的电子电路会自动关断晶体管。由于晶体管电压的迅速增加,Vce监测是一个可靠的短路检测方法。Vce监测的优点是可快速检测到短路,适用于任何标准的IGBT。

如果短路时负载带有较大的电流,如在电源侧,集电极电流上升速度更加缓慢。在这种情况下,Vce阈值必须做相应的调整。为了能够在过流检测中使用Vce方法,可使用多级Vce监测。此时,定义几个带给定参考时间的跳变阈值。但是,这种方法的缺点是温度不同会导致测量结果完全不一样,以及要调整给定系统各级所涉及的因素也是非常复杂的。一般来说,更为有效和可靠的检测慢速过电流方法是采用集成电流传感器。

除了快速错误检测,对短路做出有效和可靠的响应也是至关重要的。如果驱动器用在多级应用中或者用于驱动同步电机,主控制器应负责系统的关闭。在这种情况下,驱动器只发送隔离错误信号到控制器并等待指令。例如,在多级应用中,如果驱动器直接关断功率半导体器件,然后发送信号给控制器,那么在整个信号传输和响应时间内,整个直流环节电压可能施加在一个 IGBT上。这将导致模块的损坏。然而,在大部分应用中,让驱动器直接关断功率模块更加安全。驱动器可以更迅速地作出响应,因为它无需等待信号传输过程完成,可从二次侧独立关断模块。驱动器可确保关断短路电流时避免产生电压尖峰,通过一个软关断或二级关断功能的途径实现。此时,驱动器关断具有更大栅极电阻的IGBT会更慢,这样可保护模块,使其避免超出安全工作区(SOA)。

第二种快速错误模式是由电路引起的过电压导致的。必须检测关断过程中产生的过电压并将其迅速减小以防止IGBT模块被损坏。电源电路中的杂散电感导致开关浪涌,例如母线所导致的。外部引发的过电压是缓慢的,可通过监控直流环节电压更有效地控制。

3 IGBT驱动器的保护

驱动器电子可以通过有源钳位直接控制过电压,也可以使用IntelliOff(智能关断),一种用于减小临界电压尖峰的功能。

只要出现过电压,有源钳位让IGBT重新导通。栅极充电过程基本上是由集电极和栅极间的中央单元控制的,以降低过电压。

图2 有源钳位电路图

这里,过电压值的最大值对应齐纳电压。晶体管再次工作在安全操作区内,但将储存在Lk中的能量转换为热量。在此过程中,IGBT内部在很短的时间内产生大量的额外损耗。这些损耗加速了组件的老化过程并限制了变换器系统的可靠性。

防止发生过电压的一种方法是使用IntelliOff关断功能。结合对软关断几乎是即时开关响应的优点,IntelliOff提供了优化的关断能力。得益于不同速度的栅极放电,关断过程本身被IntelliOff优化。首先,驱动器启动IGBT关断过程越快越好。只要关断过程进入过压阶段,驱动器减慢关断过程,在这种情况下主动应对过电压。最后,IGBT驱动器安全可靠地关断模块。

图3 IntelliOff,积极主动的过压保护

只要关断信号到来,驱动器产生负的栅极电荷。栅极集电极和发射极电容的放电过程开始,栅极电流达到其负峰值(period 0)。由于米勒效应,其描述了电容容抗在关断时的反馈过程,栅极发射极电压在特定的时间(period 1)内保持较高的电平。得益于小阻值的关断电阻,IntelliOff缩短了放电时间,并允许该过程加速。在period 2,大阻值电阻减慢关断过程,这样做避免了电路引起的电压尖峰(period 2)。如果没有IntelliOff,在有源箝位的情况下,这一阶段可能会出现过压,产生额外的损耗。如果不采取合适的保护措施,最终可能会导致模块的损坏。一旦危险的电压尖峰时间过去了,驱动器通过IntelliOff功能实现关断电阻的并联,确保IGBT被安全有效地关断。得益于大小关断电阻间的可调时间常数,简单的调整是可能的。

特别是新一代IGBT,具有非常快和硬的开关特性。IntelliOff功能可确保无危险电压尖峰风险的快速关断,并由此帮助确保新IGBT模块的最佳性能。相比之下,替代的防护概念以限制IGBT模块性能换取保护,这样做会产生额外的损耗。

4 结论

栅极驱动器的理想保护取决于特定的应用。然而,一般来说,在系统标注尺寸阶段调查和分析错误机制是明智的。采用栅极驱动器去永久性地补偿非允许条件,不是一个有效的解决方案,再者也会降低可靠性。一个更加有效的过电压保护方法是使用IntelliOff功能,可在第一时间防止出现电压尖峰。VCE监测是一种可靠的短路检测方法,相比di/dt检测具有许多优势,因其可适应和适用于任何的标准模块。

当今市场上有许多不同的驱动器保护解决方案,从标准的保护功能到高度复杂的驱动器解决方案。然而,采用简单的驱动器解决方案,用户必须自己集成保护功能,并为整个系统提供驱动器保护。这会是相当昂贵的并且驱动器保护往往被低估。相比之下,高度复杂的驱动器解决方案往往存在不利之处,系统的实现相当复杂且使用寿命常常是受限的。一个最佳的驱动解决方案必须满足系统的可靠性要求,但也应把大规模生产应用的价格作为重要因素来考虑。

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