二代大功率IGBT短路保护和有源钳位电路设计

摘要：通过分析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模块2SC0435T作为核心部件，设计了大功率IGBT的短路保护和有源钳位电路。
关键词：IGBT模块；二代SCALE-2模块；2SC0435T；短路保护；有源钳位

0 引言
IGBT模块耐压高、电流大、饱和压降低、工作频率高，是大功率逆变器、电源等电力电子装置的首选功率器件。但IGBT抗过载能力不高，设计发挥IGBT性能、高可靠性的IGBT驱动电路，是设计者必须考虑的问题。本文从应用角度，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模块2SC0435T为核心部件，设计了大功率IGBT的短路保护和有源钳位电路，试验验证该驱动器具有良好的驱动及保护能力。

1 IGBT的特性分析
1．1 IGBT损坏原因分析
IGBT模块在使用过程中损坏的主要原因有：VCE过压、VCE过压、过高的dv／dt、过高的静电(ESD)、过流、短路、过高的di／dt、过高的结温等，IGBT驱动电路能保护的项目有：VCE过压、VCE过压、过高的dv／dt、短路、过高的di／dt。
1．2 IGBT的外特性
图1是IGBT的外特性图，通常IGBT的datasheet中只给出额定电流的2倍曲线的外特性(左下角)，电流再大的部分属于定性不定量的示意图。

它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压、回路中的电感量及整个过程持续的时间有关系。绝大部分的短路，母线电压都是在额定点的，影响短路电流的因素主要是“短路回路中的电感量”。因此依据短路回路中的电感量，可将短路分为一类短路和二类短路。
发生一类短路时，回路中的电感量很小(100nH级)，见图2。IGBT的电流会快速上升，当电流上升到4倍额定电流，IGBT发生退饱和现象，IGBT的电压会迅速上升至直流母线电压，芯片的损耗非常大。驱动器需在10us内把IGBT关断，称短路保护。

发生二类短路时，由于回路的电感量稍大(uH级)，电流爬升的速度慢(相比一类)，IGBT的Vcesat下降至饱和压降，随着电流进一步加大，饱和压降轻微上升，之后存在两种情况：
●电流能到达“退饱和点”时，Vcesat迅速上升至直流母线电压，10μs内驱动器关断IGBT，IGBT得到保护；
●当电流爬升慢，IGBT不发生退饱和现象，IGBT处于过流状态。如果不及时关断，由于电流比正常值高很多，经过若干开关周期后，IGB T损耗会比较高，结温会迅速上升，从而导致IGBT失效。此时需检测IGBT电流变化率，对IGBT进行及时关断，称过流保护。
根据IGBT特性，IGBT电流变化率可通过Vcesat检测，但由于Vcesat在饱和区内变化微弱，容易导致驱动器误保护，所以，现在IGBT驱动保护电路只进行短路保护，过流保护由霍尔电流传感器完成。