05-IGBT的保护问题-魏炜-20111025-Rev01

TechnicalTraining2011-10-25Rev01IGBT保护问题WinsonWei（魏炜）[e-mail]：186-8878-5868©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage1内容提要基础知识[如何能损坏IGBT模块[用门极驱动器来保护IGBT模块[用门极驱动器来保护IGBT模块[关于短路的定义SCALE产品家族SCALE产品家族[短路保护[有源钳位SCALE-2产品家族[短路保护先进的有源钳位[先进的有源钳位[门极钳位[3电平拓扑的支持©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage2如何损坏IGBT模块V过压VCE过压VGE过压过高的dv/dt静电(ESD)()过流(Over-current)短路(Short-circuit)IGBT模块短路(Shortcircuit)过高的di/dt温度TJ(结温)150°CTcase(壳温)-40°C温度循环(Thermalcycling)温度冲击(Thermalshock)©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage3功率循环(Powercycling)振动(Vibration)IGBT驱动器所能保护的项目V过压VCE过压VGE过压过高的dv/dt静电(ESD)()过流(Over-current)短路(Short-circuit)IGBT模块短路(Shortcircuit)过高的di/dt温度TJ(结温)150°CTcase(壳温)-40°C温度循环(Thermalcycling)温度冲击(Thermalshock)©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage4功率循环(Powercycling)振动(Vibration)短路的定义（1）臂SCCase1M3~桥臂内短路（直通）[命名为“一类”短路[硬件失效或软件失效[短路回路中的电感量很小(100nH级)[VCEsat检测SCCase2M3~桥臂间短路（大电感短路）命名为“二类”短路[命名为“二类”短路[相间短路或相对地短路[短路回路中的电感量稍大(uH级的)级的)[可以使用Vcesat，也可以使用霍尔，根据电流变化率来定这类短路的回路中的电感量是©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage5[这类短路的回路中的电感量是不确定的短路的定义（2）IGBT发生短路时描述短路电流的数学表达式如下这是个线性方程它IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下，这是一个线性方程。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。tU⋅UdiLtUI⋅=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LUdtdi=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”。因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。如果短路回路中的电感量再继续增大，那么电流变化率就变得更低，此时就不是短路了，变成“过流”了。这时驱动器是察觉不到这种异常状态的，因此在系统中需要电流传感器来感知电流的绝对数值，从而进行“过流保护”。我们认为，通常IGBT驱动器是不能进行过流保护的。二类短路与过流之间没有明显的界限，学术上没有进行定义，在工程上，可以做一个很粗略的假设：10A/us以下的电流变化率视为“过流”。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage6短路保护和过流保护的意义及其区别通常我们说的短路保护和过流保护是不一样的，是两个很不一样的概念，不应该混为一谈。短路分为一类及二类两种，但这两种短路都有一个共同点，那就是，IGBT会出现“退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的往上升，那么允许持续这种状态的时会非常苛刻了，只有10us，我们需要靠驱动器发现这一行为并关掉门极。IGBT过流的情况则是，回路电感较大，电流爬升很慢（相对于短路），IGBT不会发生退饱和现象，但是由于电流比正常工况要高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT的损耗也会比较高，结温也会迅速上升，从而导致失效在这时动般是不能时发这象的为致失效。在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT的饱和压降的变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化。所以需要靠电流传感器来感知电流的数值，对系统进行保护。所以，我们认为，IGBT驱动器是为了解决短路保护，而过流保护则是由电流传感器来完成。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage7一类短路发生类短路时IGBT的电流会Vge电压波形发生一类短路时，IGBT的电流会快速上升，当电流上升到一定数值时，（一般为4倍额定电流），IGBT会发生退饱和现象其标志Vce电压波形IGBT会发生退饱和现象，其标志是IGBT的电压会迅速上升至直流母线电压。当IGBT退出饱和区后IGBT的电短路电流波形当IGBT退出饱和区后，IGBT的电流为4倍额定电流（此倍数与芯片类型有关），电压为母线电压，（外电路的所有电动势都压在IGBT外电路的所有电动势都压在IGBT上），IGBT芯片的损耗非常大，根据规格书，其最多能耐受10us的短路状态。驱动器需要在此时间内Vce(sat)检测电路监控短路状态。驱动器需要在此时间内把IGBT关掉，此时的关断是完全安全的。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage8二类短路V电压波形发生二类短路时由于回路的电感Vge电压波形Vce电压波形发生二类短路时，由于回路的电感量稍大，电流爬升的速度慢了一些，(比一类短路慢，但实际还是很快的)，门极脉冲打开时，IGBT的短路电流波形快的)，门极脉冲打开时，IGBT的Vce下降至饱和压降，随着电流进一步加大，饱和压降轻微上升；当电流到达“退饱和点”时，Vce迅速上升至直流母线电压，我们把Vce上升的过程称为“退饱和”行为。当IGBT退出饱和区后，其损耗要比未退饱和前高数百倍，因为Vce从几伏上升至几百伏，而电流则没有明显变化。从退饱和算起，10us内须关断Vce(sat)检测电路监控，必须关断IGBT。另外，还需要注意的是，当IGBT电流上升的过程中，Vge也在上升，这是一种米勒效应G在短路时门极电压有被向上抬升的趋势种米勒效应，IGBT在短路时，门极电压有被向上抬升的趋势。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage9IGBT的外特性©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage10从IGBT的外特性图中可以读出的信息图中左下角的图是IGBT的dh中给出的外特性曲线通常这个图只给出图中左下角的图是IGBT的datasheet中给出的外特性曲线，通常这个图只给出额定电流的2倍的曲线，电流再大的部分属于定性不定量的示意图。当电流等于450A，即1倍额定电流时，Vcesat=2.5V；在2倍额定电流时，Vt39V在3倍额定电流时Vt56V当电流达到4倍额定电流时Vcesat=3.9V；在3倍额定电流时，Vcesat=5~6V；当电流达到4倍额定电流时，IGBT会承受住外部电压的所有值。这张图可以看出：这张图可以看出：1.IGBT在某个固定的门极电压下，其电流达到一定高度就上不去了。这说明，IGBT在短路时，电流会被限制在一个稳定的水平，其数值大约为IGBT额定电流的4倍，（该数值与IGBT的芯片类型有关系）。IGBT额定电流的4倍，（该数值与IGBT的芯片类型有关系）。2.门极电压可以强烈地影响IGBT短路电流的数值，门极电压较低时，短路电流会比较低，门极电压升高，短路电流也会升高。3.IGBT的电流在1倍至3倍之间变化，Vcesat的变化是非常微弱的，只有几V的在倍倍间变化的变化是非常微弱的只有几的差别。4.IGBT在退饱和后，Vcesat会有显著变化。5.IGBT在短路时，实际上进入了线性区。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage11IGBT的退饱和行为的介绍IGBT的外特性的形状实际上和三极管及MOSFET的外特性是相似的，在IGBT的线性区，门极电压与短路电流的关系是线性的。IGBT退饱和行为，其字面的意思是“退出了饱和区”，实际就是“进入线性区”的另外一种说法。IGBT的电流如果持续增大，当到达某一个点（退饱和点）时，IGBT的Vce会发生显著变化，会在非常短的时间内（例如几百纳秒内）上升至直流母线电压。退饱和行为的标志就是Vcesat上升至直流母线电压。Vcesat在饱和区内的变化是非常微弱的，如果想利用饱和压降的变化来辨识IGBT的电流是很困难的，通常我们只辨识IGBT的退饱和行为。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage12IGBT的短路安全工作区(SCSOA)在IGBT的datasheet中，(以英飞凌的FF450R12ME4)为例，IGBT的短路性能是在IGBT的datasheet中，(以英飞凌的FF450R12ME4)为例，IGBT的短路性能是有所定义的，我们可以认为这是“短路安全工作区”。见下图。定义这个数值时使用的是一类短路其意义是：在母线电压为800V门极电定义这个数值时使用的是类短路，其意义是：在母线电压为800V，门极电压小于等于15V，结温为150度的情况下，施加一个宽度为10us的脉冲，在第10us时，IGBT的电流大约为1800A。并且说明，这样的测试是安全，是可以重复的。重复的。实际上定义这个测试背后的约束条件是在短路时IGBT芯片上的能量，在IGBT短路时，IGBT会退出饱和区，所以其Vce=800V，电流基本稳定在1800A，在10us内，能量为：E=U·I·t=800V·1800A·10us=14.4J。也就是说，短路时，IGBT能扛住14.4焦耳的能量。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage13IGBT短路时的关断风险IGBT发生短路时，电流上升至4倍额定电流以上，最终IGBT是要将这个电流关断掉的这时的电流的数值比平常变流器额定工作时的这个电流关断掉的，这时的电流的数值比平常变流器额定工作时的电流高了很多，所以此时产生的电压尖峰也是非常高的。为了防止电压尖峰损坏还需要引入有源钳位电路但并不是为了防止电压尖峰损坏IGBT，还需要引入有源钳位电路，但并不是所有的驱动电路都需要配备有源钳位功能，容量比较大的IGBT，就比较有必要配置此电路。©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage14IGBT短路允许时间与电流的关系SC-TimeandCurrent1200VIFXIGBT3Vdc=720V短路允许时间及短路电流是门极电压的函数tcs;Ics=f(VGE);87888Vge19Vnt从右图可知，当门极电压越高，短路电流倍数越高相应地654Vge=15VVge=17VVge=19V/ratedcurren倍数越高，相应地，短路允许时间会变少。反之，短路允许时间会增多如果在发32Vge=11VVge=13VSC-current间会增多。如果在发生短路时，将门极电压变低，IGBT的短路1246810121416182000电流会变小，允许持续的时间也增多。6806800max.SC-time(us)©CT-ConceptTechnologieAG-SwitzerlandPage15SCALE驱动器的短路保护原理(1)CONCEPT第一代SCALE驱动核的内部原理框图电流源1右图所示的电路是经典的IGBT保护电路，其原理是：1.当IGBT关断时，T1导通，电流源1被T1旁路，Ca的