1 引言

　　為確保電力電子組件在非允許工作的條件影響下得到可靠的保護(hù)，需要快速和可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)及有效的保護(hù)措施。為確保得到可靠的保護(hù)，在功率模塊中，即可通過(guò)系統(tǒng)控制器或者通過(guò)igbt驅(qū)動(dòng)器提供錯(cuò)誤管理。系統(tǒng)控制器適用于對(duì)慢速故障模式做出反應(yīng)，如超溫所導(dǎo)致的過(guò)熱。相反，需要驅(qū)動(dòng)電子檢測(cè)和響應(yīng)突發(fā)錯(cuò)誤。如今市場(chǎng)上有各種驅(qū)動(dòng)器，它們的適用性、效率和可靠性各不相同。

　　功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的快速錯(cuò)誤包括短路和電路引起的過(guò)電壓。短路是速度最快的錯(cuò)誤。當(dāng)電力電子系統(tǒng)投入使用時(shí)，連接和隔離錯(cuò)誤往往是造成短路的因素，而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，短路可能歸因于故障組件。

　　如果短路發(fā)生在負(fù)載通道或者橋接旁路，igbt的集電極電流完全增大，造成晶體管飽和。如今市場(chǎng)上的igbt模塊只能防短路很短的時(shí)間。為了防止igbt被熱負(fù)荷摧毀，在安全時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到短路并且可靠地關(guān)斷igbt是至關(guān)重要的。

　　驅(qū)動(dòng)器的電子電路可通過(guò)測(cè)量di/dt或者監(jiān)測(cè)vce檢測(cè)短路。

　　di/dt檢測(cè)中圖1（a），驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電子線路去測(cè)量igbt中電流的變化率。輔助和功率發(fā)射極間的雜散電感上的壓降正比于集電極電流的變化率（di/dt）。通過(guò)將電壓與參考電壓相比較，可以檢測(cè)出快速的短路。為了監(jiān)測(cè)緩慢短路，該方法在鍵合線及功率和輔助發(fā)射極間的內(nèi)部母線中使用阻性元件。然而，此方法還取決于用于電源連接的螺絲連接。這些顯示了一定的接觸電阻特性分布，并要考慮與其他電阻元件的串聯(lián)。這要求精確地適應(yīng)給定的系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，di/dt檢測(cè)只能用于帶有輔助發(fā)射極輸出的igbt模塊。

　　vcesat監(jiān)測(cè)圖1（b）則是通過(guò)集電極電流與通態(tài)電壓的關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)的。為此，集電極-發(fā)射極電壓被測(cè)量，并通過(guò)一個(gè)比較器與一個(gè)參考電壓相比較。如果電壓讀數(shù)超過(guò)參考電壓，驅(qū)動(dòng)器的電子電路會(huì)自動(dòng)關(guān)斷晶體管。由于晶體管電壓的迅速增加，vce監(jiān)測(cè)是一個(gè)可靠的短路檢測(cè)方法。vce監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是可快速檢測(cè)到短路，適用于任何標(biāo)準(zhǔn)的igbt。

　　如果短路時(shí)負(fù)載帶有較大的電，如在電源側(cè)，集電極電流上升速度更加緩慢。在這種情況下，vce閾值必須做相應(yīng)的調(diào)整。為了能夠在過(guò)流檢測(cè)中使用vce方法，可使用多級(jí)vce監(jiān)測(cè)。此時(shí)，定義幾個(gè)帶給定參考時(shí)間的跳變閾值。但是，這種方法的缺點(diǎn)是溫度不同會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果完全不一樣，以及要調(diào)整給定系統(tǒng)各級(jí)所涉及的因素也是非常復(fù)雜的。一般來(lái)說(shuō)，更為有效和可靠的檢測(cè)慢速過(guò)電流方法是采用集成電流傳感器。

　　除了快速錯(cuò)誤檢測(cè)，對(duì)短路做出有效和可靠的響應(yīng)也是至關(guān)重要的。如果驅(qū)動(dòng)器用在多級(jí)應(yīng)用中或者用于驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)，主控制器應(yīng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的關(guān)閉。在這種情況下，驅(qū)動(dòng)器只發(fā)送隔離錯(cuò)誤信號(hào)到控制器并等待指令。例如，在多級(jí)應(yīng)用中，如果驅(qū)動(dòng)器直接關(guān)斷功率半導(dǎo)體，然后發(fā)送信號(hào)給控制器，那么在整個(gè)信號(hào)傳輸和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)整個(gè)直流環(huán)節(jié)電壓可能施加在一個(gè)igbt上。這將導(dǎo)致模塊的損壞。然而，在大部分應(yīng)用中，讓驅(qū)動(dòng)器直接關(guān)斷功率模塊更加安全。驅(qū)動(dòng)器可以更迅速地做出響應(yīng)，因?yàn)樗鼰o(wú)需等待信號(hào)傳輸過(guò)程完成，可從二次側(cè)獨(dú)立關(guān)斷模塊。驅(qū)動(dòng)器可確保關(guān)斷短路電流時(shí)避免產(chǎn)生電壓尖峰，通過(guò)一個(gè)軟關(guān)斷或二級(jí)關(guān)斷功能的途徑實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷具有更大柵極電阻的igbt更慢，這樣作保護(hù)模塊，使其免超安全工作區(qū)（soa）。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

        2 電路引起的過(guò)電壓

　　第二種快速錯(cuò)誤模式是由電路引起的過(guò)電壓導(dǎo)致的。必須檢測(cè)關(guān)斷過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓并將其迅速減小以防止igbt模塊被損壞。電源電路中的雜散電感導(dǎo)致開(kāi)關(guān)浪涌，例如母線所導(dǎo)致的。外部引發(fā)的過(guò)電壓是緩慢的，可通過(guò)監(jiān)控直流環(huán)節(jié)電壓更有效地控制。

　　驅(qū)動(dòng)器電子可以通過(guò)有源鉗位直接控制過(guò)電壓，也可以使用intellioff（智能關(guān)斷），一種用于減小臨界電壓尖峰的功能。如圖2，3所示。

　　只要出現(xiàn)過(guò)電壓，有源箝位讓igbt重新導(dǎo)通。柵極充電過(guò)程基本上是由集電極和柵極間的中央單元控制的，以降低過(guò)電壓。

　　這里，過(guò)電壓值的最大值對(duì)應(yīng)齊納電壓。晶體管再次工作在安全操作區(qū)內(nèi)，但將儲(chǔ)存在lk中的能量轉(zhuǎn)換為熱量。在此過(guò)程中，igbt內(nèi)部在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的額外損耗。這些損耗加速了組件的老化過(guò)程并限制了變換器系統(tǒng)的可靠性。

　　防止發(fā)生過(guò)電壓的一種方法是使用intellioff關(guān)斷功能。結(jié)合對(duì)軟關(guān)斷幾乎是即時(shí)開(kāi)關(guān)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，intellioff提供了優(yōu)化的關(guān)斷能力。得益于不同速度的柵極放電，關(guān)斷過(guò)程本身被intellioff優(yōu)化。首先，驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)igbt關(guān)斷過(guò)程越快越好。只要關(guān)斷過(guò)程進(jìn)入過(guò)壓階段，驅(qū)動(dòng)器減慢關(guān)斷過(guò)程，在這種情況下主動(dòng)應(yīng)對(duì)過(guò)電壓。最后，igbt驅(qū)動(dòng)器安全可靠地關(guān)斷模塊。

　　只要關(guān)斷信號(hào)到來(lái)，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生負(fù)的柵極電荷。柵極集電極和發(fā)射極電容的放電過(guò)程開(kāi)始，柵極電流達(dá)到其負(fù)峰值（period0）。由于米勒效應(yīng)，其描述了電容容抗在關(guān)斷時(shí)的反饋過(guò)程，柵極發(fā)射極電壓在特定的時(shí)間（period1）內(nèi)保持較高的電平。得益于小阻值的關(guān)斷電阻，intellioff縮短了放電時(shí)間，并允許該過(guò)程加速。在period2，大阻值電阻減慢關(guān)斷過(guò)程，這樣做避免了電路引起的電壓尖峰（period2）。如果沒(méi)有intellioff，在有源箝位的情況下，這一階段可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓，產(chǎn)生額外的損耗。如果不采取合適的保護(hù)措施，最終可能會(huì)導(dǎo)致模塊的損壞。一旦危險(xiǎn)的電壓尖峰時(shí)間過(guò)去了，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)intellioff功能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷電阻的并聯(lián)，確保igbt被安全有效地關(guān)斷。得益于大小關(guān)斷電阻間的可調(diào)時(shí)間常數(shù)，簡(jiǎn)單的調(diào)整是可能的。

　　特別是新一代igbt，具有非?？旌陀驳拈_(kāi)關(guān)特性。intellioff功能可確保無(wú)危險(xiǎn)電壓尖峰風(fēng)險(xiǎn)的快速關(guān)斷，并由此幫助確保新igbt模塊的最佳性能。相比之下，替代的防護(hù)概念以限制igbt模塊性能換取保護(hù)，這樣做會(huì)產(chǎn)生的額外損耗。

　　柵極驅(qū)動(dòng)器的理想保護(hù)取決于特定的應(yīng)用。然而，一般來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)標(biāo)注尺寸階段調(diào)查和分析錯(cuò)誤機(jī)制是明智的。采用柵極驅(qū)動(dòng)器去永久性地補(bǔ)償非允許條件不是一個(gè)有效的解決方案，再者也會(huì)降低可靠性。一個(gè)更加有效的過(guò)電壓保護(hù)方法是使用intellioff功能，可在第一時(shí)間防止出現(xiàn)電壓尖峰。vce監(jiān)測(cè)是一種可靠的短路檢測(cè)方法，相比di/dt檢測(cè)具有許多優(yōu)勢(shì)，因其可適應(yīng)和適用于任何的標(biāo)準(zhǔn)模塊。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

        3 結(jié)束語(yǔ)

　　當(dāng)今市場(chǎng)上有許多不同的驅(qū)動(dòng)器保護(hù)解決方案，從標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能到高度復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器解決方案。然而，采用簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)器解決方案，用戶必須自己集成保護(hù)功能，并為整個(gè)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)器保護(hù)。這會(huì)是相當(dāng)昂貴的并且驅(qū)動(dòng)器保護(hù)往往被低估。相比之下，高度復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器解決方案往往存在不利之處，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜且使用壽命常常是受限的。一個(gè)最佳的驅(qū)動(dòng)解決方案必須滿足系統(tǒng)的可靠性要求，但也應(yīng)把大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的價(jià)格作為重要因素來(lái)考慮。