IGBT短路时的工作状态、短路保护电路的原理
引言
每次谈到igbt都要把它的优点先说一遍，就当我唠叨了。igbt结合了电力场效应管和电力晶体管导通、关断机制的优点，相比于其他大功率开关器件，igbt的驱动功率小、开关速度快、没有二次击穿效应且易于并联。大功率igbt应用于各工业领域和新能源发电系统，随着变流器容量和电压等级的提高，变流器的可靠性成为不可忽视的关键问题，而作为其核心的igbt的可靠性当然是重中之中。短路保护便是igbt可靠性考量中的一个因素。在igbt短路保护实验中，由于igbt特性和内部寄生电感的影响，igbt关断过程中，电流的变化率(di/dt)非常大，应采取措施来限制短路电流的上升率，延缓igbt的关断时间。
今天我们以风电变流器为例，来聊一聊igbt短路时的工作状态、短路保护电路的原理。
igbt短路情况时工作状态
当igbt发生短路时，应充分考虑其当时的工作状态。如果当时情况下igbt仍处于导通状态，由于直流回路中的电感小，此时的短路电流会非常大，这是电力电子应用中不允许发生的，所以，要通过放大区来限制igbt在短路状态下的电流。
短路电路中的电感量决定了igbt的短路电流和功耗。如果电感量小，那么关断过程中的电流变化率di/dt就会非常大，igbt迅速进入退饱和阶段，同时结温上升；如果电感量大，那么关断过程中，短路电流不断上升，但是igbt端电压、功耗和结温上升的却不是很大。同时，较大的电感量会导致非常大的关断电压尖峰，这个电压尖峰必须控制在igbt的阻断电压之下，否则会导致igbt失效。
igbt在短路时，快速退饱和引起的电压变化率dv/dt会促使igbt的门极电压增加，并导致较大的短路电流，从而导致功耗的增加，甚至损坏igbt，同时，igbt的短路情况下的集射极电压uce将快速上升。
短路保护的原理
1scsoa和短路维持时间
igbt短路保护的目的是，在igbt发生短路，在igbt损坏前及时地将igbt关断，并将短路电流和保护关断时的i-u运行轨迹限制在igbt的短路安全工作区域(scsoa)。短路时间的增加会使得scsoa减小，同时scsoa还与外电路布线电感和厂家的工艺结构有关。由于杂散电感的存在，短路大电流时，igbt的i-u运行轨迹很容易超出scsoa的范围，从而导致igbt失效。
退饱和检测技术普遍地用来监测igbt短路情况。采用退饱和保护驱动时，igbt的短路维持时间为tw=10us。此期间，igbt保护电路应快速、准确地检测到短路故障，并在允许时间内关断igbt，来达到保护igbt的目的。
2短路电流
igbt短路时，uce缓慢上升至母线电压，较大的跨导gfs增加了isc(线性区时，有这样一个公式：ic=(vge-vth)*gsf)，并且有明显的过冲，短路维持时间越长，igbt的开关和传导损耗就越大。此时，门极驱动必须快速关断具有较低短路维持时间的igbt器件。唯一的办法就是降低vge，使其低于阈值电压。在有源钳位的作用下，uce快速达到钳位电压，抑制故障时的isc。过大的isc可能会引起igbt器件发生锁定效应或过电压击穿，isc超过igbt内部寄生晶闸管结构的擎住电流时就会发生锁定效应，此时igbt会失去门极的关断能力。故限制isc的幅值可以有效地防止锁定效应。同时较大的di/dt在电路杂散电感的作用下会产生很高的过电压，可能会导致igbt的击穿，缓慢降低vge可以避免此情况。
3短路保护电路分析
基本框架图如下所示
在该电路中，通过检测uce来监视igbt的短路和过电流。原理是，当流过igbt的电流过大时，通态压降会急剧上升。当发生短路时，通过uce监视使能逻辑来进行保护。igbt导通时检测uce，如果期间内uce超过了预先设定的值，就会产生一个故障信号，通过内部软件
来平滑地关断igbt。电路地电压设定值和延迟时间可以通过外部的rc回路中的电阻和电容来设定。
发生短路时，igbt集电极退饱和，图中的a点电位升高。当uce超过设定的门槛电压时，故障检测点视为低电平，输出故障信号，并经过触发逻辑电路的判断后，闭锁触发脉冲，使得输出到门极驱动放大电路中的驱动信号也变为低电平。在软关断电阻的作用下，igbt的vge缓慢下降，抑制电压过冲。
正常情况下，电压门槛值为高阻抗，在uce监视使能逻辑下比较器的输出为高电平。
短路保护电路中，还包含有源钳位的功能，即当发生短路时，uce快速增大，并产生一个非常大的过压，但在钳位二极管的作用下，使其稳定在钳位二级管的电压，抑制了uce的过冲，防止igbt击穿。有源钳位一般由3个钳位瞬态抑制二极管和一个稳压管组成(当然，具体还需要根据使用的igbt的规格来进行调整)。
以上便是以风电变流器中的某种igbt保护电路来进行了叙述，基本没有涉及到风电变流器的东西，所以也不必在意是不是风电变流器。主要是希望能够分享下，igbt在发生短路故障时的一些事，以及采取保护电路是通过怎样一个考虑来实现保护的。
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阻抗和损耗管控
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今天我们以风电变流器为例，来聊一聊igbt短路时的工作状态、短路保护电路的原理。
igbt短路情况时工作状态
当igbt发生短路时，应充分考虑其当时的工作状态。如果当时情况下igbt仍处于导通状态，由于直流回路中的电感小，此时的短路电流会非常大，这是电力电子应用中不允许发生的，所以，要通过放大区来限制igbt在短路状态下的电流。
短路电路中的电感量决定了igbt的短路电流和功耗。如果电感量小，那么关断过程中的电流变化率di/dt就会非常大，igbt迅速进入退饱和阶段，同时结温上升；如果电感量大，那么关断过程中，短路电流不断上升，但是igbt端电压、功耗和结温上升的却不是很大。同时，较大的电感量会导致非常大的关断电压尖峰，这个电压尖峰必须控制在igbt的阻断电压之下，否则会导致igbt失效。
igbt在短路时，快速退饱和引起的电压变化率dv/dt会促使igbt的门极电压增加，并导致较大的短路电流，从而导致功耗的增加，甚至损坏igbt，同时，igbt的短路情况下的集射极电压uce将快速上升。
短路保护的原理
1scsoa和短路维持时间
igbt短路保护的目的是，在igbt发生短路，在igbt损坏前及时地将igbt关断，并将短路电流和保护关断时的i-u运行轨迹限制在igbt的短路安全工作区域(scsoa)。短路时间的增加会使得scsoa减小，同时scsoa还与外电路布线电感和厂家的工艺结构有关。由于杂散电感的存在，短路大电流时，igbt的i-u运行轨迹很容易超出scsoa的范围，从而导致igbt失效。
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以上便是以风电变流器中的某种igbt保护电路来进行了叙述，基本没有涉及到风电变流器的东西，所以也不必在意是不是风电变流器。主要是希望能够分享下，igbt在发生短路故障时的一些事，以及采取保护电路是通过怎样一个考虑来实现保护的。
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