IGBT应用中有哪些短路类型

 

 

01  前 言


大家好,IGBT在应用过程中不可避免地会发生过流或短路故障,当发生此类故障时,器件的电流非常大,极易使IGBT芯片结温升高,导致器件烧坏。为了查明故障原因,找到解决方法,我们一般会分析IGBT发生过流或短路时的故障路径。这期我们以两电平逆变器应用为例,分析一下IGBT容易出现的几种短路故障类型,加深大家对于短路故障的理解。

 

  02 IGBT过流和短路故障区别 


在分析IGBT的短路故障前,有必要对过流和短路两个概念进行简单解释。

过流一般是指由于某种原因引起的负载过载(例如电机堵转),也有可能是由于软件控制问题导致的电流发散、振荡导致。而短路一般是指臂直通,或母线电压经过IGBT的无负载回路相间短路或相对地短路

过流和短路的保护方法也有所不同,过流保护通常会采用输出电流传感器作为检测元件,在控制板上通过硬件或软件方式实施保护,而短路保护只能通过硬件进行检测,一般会集成到IGBT驱动电路上,通过检测IGBT的退饱和行为来实施保护。

下面我们以工业电机驱动逆变器为例说明一下常见的短路故障,如图1所示:图1 工业电机驱动短路故障

① 桥臂直通:一个桥臂的两个IGBT同时开通所导致,这种情况可能是因为遭受了电磁干扰或控制器故障,也有可能是因为桥臂中的一个IGBT故障,而正常的IGBT保持开关动作。

 相对相短路:可能是因为性能下降、温度过高或过压事件导致电机绕组之间发生绝缘击穿所引起的,也有可能由于传输电缆绝缘损坏

 相对地短路:同样可能是因为性能下降、温度过高或过压事件导致电机绕组和电机外壳之间发生绝缘击穿所致,也有可能由于传输电缆破损接地。

以上三种故障都可以称为短路故障,但短路回路阻抗不同如果逆变器输出电缆较长且在电缆的末端发生短路,那短路阻抗相对很大,这种短路和过流可能没有太大区别,也可以通过输出电流传感器进行短路保护。

需要说明的是IGBT发生桥臂直通短路故障的几率相对较小因此,在有些低成本应用中,IGBT驱动电路并没有集成短路保护,只有过流保护。这时如果负载侧发生短路,器件是否能够被保住,主要取决于短路回路阻抗的大小以及电流传感器的响应速度

 

2、IGBT短路分类

通过上面分析,大家应该知道过流和短路的区别了,下面我们从IGBT视角分析几种常见的短路故障类型。

图2 IGBT短路故障类型

 IGBT开通瞬态发生的短路行为(SC 1:IGBT开通(门极电压由负压转为正压的过程中)导致的短路故障,也就是IGBT在开通之前,系统没有发生短路故障。

  IGBT通态过程发生的短路行为(SC 2IGBT在导通过程中(门极保持正压开通),且正向导通电流时,由于外部原因导致的器件电流突然增大行为。

  IGBT通态过程发生的短路行为(SC 3IGBT在导通过程中(门极保持正压开通),且内部续流二极管正向导通电流时,这时由于外部原因导致的器件电流突然增大行为。

  03 短路故障 SC 1


IGBT开通即进入短路状态,可以用图3所示双脉冲测试电路进行分析。通过改变短路电感Lsc(几十个nH以内)的大小就可以分析下管IGBT的开通短路行为特性。SC 1 也是IGBT最为常见的短路故障,根据退饱和时间的长短取决于短路回路杂感),可以进一步分为一类短路和二类短路

图3 SC 1 短路测试电路

① 一类短路IGBT发生一类短路时的典型波形如图4所示,IGBT开通瞬间就进入退饱和状态(还没来得及进入导通状态)。一类短路故障回路的电感量一般在几十个nH,这种情况一般出现在桥臂直通状态。

一类短路故障实验,并不太好做,因为外部负载电感很难控制在几十nH,这个时候可以用宽导线将S1的CE短接,也可以让S1保持常开状态,当然也可以S1反接取决于DIODE正向导通特性),目的都是要控制短路回路的杂感尽可能地小。

图4 一类短路测试波形

 二类短路

IGBT发生二类短路时的波形如图5所示,IGBT开通后首先进入饱和导通状态然后再发生退饱和行为。主要原因是回路的电感量稍大(一般为百nH以上),电流爬升的速度慢了一些(比一类短路慢,但实际还是很快)。

图5 二类短路测试波形

 讨论

两种短路都有一个共同点:IGBT都会出现“退饱和现象,一旦IGBT退出饱和区,它的损耗会成百倍地上升,那么允许持续这种状态的时间非常苛刻,一般在10us以内。这是需要靠IGBT门极驱动器发现这一行为,并及时关掉器件。

IGBT在不同杂感情况下产生退饱和行为的波形如图6所示。为了精确区分两类短路故障(好像也没啥意义),我们将IGBT完全开通之后发生的退饱和行为定义为二类短路故障,在此之前发生的退饱和行为定义为一类短路故障

 图6 IGBT退饱和行为与杂感关系[1]

 

04  短路故障SC 2 


IGBT在导通状态下发生的短路故障可以用图7电路进行描述,在下管IGBT导通过程中,给上管IGBT一个开通脉冲。为了更明显地观察到下管IGBT的退饱和行为,一般要求上管IGBT的门极开通电压要大于15V,小伙伴们可以考虑一下为什么。

图7 SC 2 短路测试电路

SC 2短路故障波形如图8所示。一旦发生短路,IGBT电流急速上升,di/dt上升率由母线电压和回路的寄生电感决定。第1阶段IGBT开始出现欠饱和状态,该过程IGBT集电极电压略微上升,但是由于该阶段米勒电容较大,因此由于dv/dt作用,会有部分电流进入门极,导致门极压Vge有所增加,Vge增加会进一步导致集电极电流上升。

第1阶段结束后,短路电流下降到静态值,这个时候由于反向di/dt与回路杂散电感作用,会导致Vce出现正向电压峰值Vc/scon。经过第3阶段后,IGBT被关断,这个时候驱动电路的软关断或有源钳位功能会起作用,将IGBT的关断尖峰限制在安全范围内。

图8 SC 2 故障测试波形[2]

需要注意的是,SC 2相比SC 1要求的条件更加苛刻,虽然驱动电路能够限制关断电压Vc/scoff,但是不能限制Vc/scon,Vc/scon有可能超出器件的额定电压[2]因为第二阶段的di/dt是不受控的。好在IGBT实际应用中门极电压都一致,图7所示电路在发生短路时,两个器件有可能都会发生退饱和,这个时候下管IGBT 的Vc/scon应该能控制在安全范围内。

参考文献[1]和[3]也分别给出了SC 2故障波形,如图9和10所示:

 图9 SC 2 故障测试波形[1]

图10 SC 2 故障测试波形[3]

通过图9和图10可以看出,在di/dt上升过程中,门极电压出现负值,与图8门极电压正好相反,具体原因论文中也没有解释太清楚,从di/dt与模块内部杂感(芯片发射极和功率发射极)的角度理解,这个电压也应该增加啊,知道原因的小伙伴请赐教

 

 05  短路故障 SC 3 


SC 3故障是指IGBT保持开通状态且发生短路的上一时刻时二极管在导通电流,此时如果直接开通上管,下管IGBT发生的短路行为。SC 3可以用图11所示电路进行模拟。

图11 SC 3 短路测试电路

SC 3短路波形如图12所示,当短路发生时,IGBT被迫导通,类似于二极管的正向恢复过程,IGBT也存在正向恢复,主要是因为双极性功率半导体器件的电导调制需要一定时间。这个正向恢复峰值电压主要取决于di/dt速度,在宽基区高电压IGBT上可高达几百伏(模块内部杂感和di/dt作用也有一定贡献)正向峰值后面的波形和SC 2分析基本一致。

图12 SC 3 故障测试波形[2]

可想而知,既然IGBT存在正向电压,那并联的二极管也会存在反向恢复过程,因此图12中的ISC既包含了IGBT的正向导通电流也包含了并联二极管的反向恢复电流。

参考文献[1]也给出了SC 3短路测试波形,如图13所示,在di/dt上升过程中Vge同样也出现了负电压,具体原因未知。可能有人也会问为什么图13中的IC和图12中的不太一样,这个可能跟模块有关系,老耿也没条件测试,大家要是感兴趣可以自己测测看。

图13 SC 3 故障测试波形[1]

有些小伙伴可能会比较好奇内部续流二级管的电流?因为IGBT芯片和DIODE芯片都被封在了模块内部,很难测量。参考文献[1]通过特殊方法测得内部二极管的电流以及反向恢复功率如图14所示,可以看到二极管会有一个反向恢复损耗的峰值,这个值如果超过SOA也可能会导致器件失效。

图14 SC 3 IGBT内部续流二极管短路波形[1]

 

  06 总结 


 

①  本文介绍了IGBT应用中常见的3种短路故障SC 1、SC 2和SC 3,其中SC 1又可以进一步分为一类短路故障和二类短路故障。

②  对于SC 3短路故障,IGBT正向打开,如果内部续流二极管导通电流,这个时候加反向电压,内部续流二极管也会出现反向恢复过程。这个问题在三电平中应用中存在过争议主要是针对内管IGBT的二极管是否存在反向恢复过程在这里应该能得到答案了。

③  SC 2和SC 3的区别是在发生短路之前一个是IGBT导通电流,一个是二极管导通电流,所以SC 2故障IGBT不会产生正向恢复(IGBT基区已经被电导调制)。

④ 对于SC 2和SC 3短路,三篇参考文献波形有所不同,对于SC 2中的Vge为什么会出现负电压老耿也不太清楚,SC 3中的总电流也有所不同感兴趣的小伙伴可以一块交流讨论。