二代大功率IGBT短路保護和有源鉗位電路設計

摘要：通過分析IGBT的器件特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模塊2SC0435T作為核心部件，設計了大功率IGBT的短路保護和有源鉗位電路。
關鍵詞：IGBT模塊；二代SCALE-2模塊；2SC0435T；短路保護；有源鉗位

0 引言
IGBT模塊耐壓高、電流大、飽和壓降低、工作頻率高，是大功率逆變器、電源等電力電子裝置的首選功率器件。但IGBT抗過載能力不高，設計發揮IGBT性能、高可靠性的IGBT驅動電路，是設計者必須考慮的問題。本文從應用角度，分析了IGBT的特性和短路特性，以瑞士CONCEPT公司最新推出的二代SCALE-2模塊2SC0435T為核心部件，設計了大功率IGBT的短路保護和有源鉗位電路，試驗驗證該驅動器具有良好的驅動及保護能力。

1 IGBT的特性分析
1．1 IGBT損壞原因分析
IGBT模塊在使用過程中損壞的主要原因有：VCE過壓、VCE過壓、過高的dv／dt、過高的靜電(ESD)、過流、短路、過高的di／dt、過高的結溫等，IGBT驅動電路能保護的項目有：VCE過壓、VCE過壓、過高的dv／dt、短路、過高的di／dt。
1．2 IGBT的外特性
圖1是IGBT的外特性圖，通常IGBT的datasheet中只給出額定電流的2倍曲線的外特性(左下角)，電流再大的部分屬于定性不定量的示意圖。

它表示，在短路發生時，電流的絕對值與電壓、回路中的電感量及整個過程持續的時間有關系。絕大部分的短路，母線電壓都是在額定點的，影響短路電流的因素主要是“短路回路中的電感量”。因此依據短路回路中的電感量，可將短路分為一類短路和二類短路。
發生一類短路時，回路中的電感量很小(100nH級)，見圖2。IGBT的電流會快速上升，當電流上升到4倍額定電流，IGBT發生退飽和現象，IGBT的電壓會迅速上升至直流母線電壓，芯片的損耗非常大。驅動器需在10us內把IGBT關斷，稱短路保護。

發生二類短路時，由于回路的電感量稍大(uH級)，電流爬升的速度慢(相比一類)，IGBT的Vcesat下降至飽和壓降，隨著電流進一步加大，飽和壓降輕微上升，之后存在兩種情況：
●電流能到達“退飽和點”時，Vcesat迅速上升至直流母線電壓，10μs內驅動器關斷IGBT，IGBT得到保護；
●當電流爬升慢，IGBT不發生退飽和現象，IGBT處于過流狀態。如果不及時關斷，由于電流比正常值高很多，經過若干開關周期后，IGB T損耗會比較高，結溫會迅速上升，從而導致IGBT失效。此時需檢測IGBT電流變化率，對IGBT進行及時關斷，稱過流保護。
根據IGBT特性，IGBT電流變化率可通過Vcesat檢測，但由于Vcesat在飽和區內變化微弱，容易導致驅動器誤保護，所以，現在IGBT驅動保護電路只進行短路保護，過流保護由霍爾電流傳感器完成。