短路故障是IGBT装置中常见的故障之一，本文针对高压大容量IGBT的短路故障，分析了IGBT的短路特性，基于已有的IGBT驱动器和有源电压箝位技术，设计了一种闭环控制IGBT关断过电压的驱动电路。通过实验证明，这种电路可以提高IGBT短路保护的可靠性。
IGBT被广泛用于各类pwm变流器，如ups、
变频器、有源电力滤波器等。随着IGBT制造工艺的发展，如今，IGBT的额定电流和电压已分别提升到3600a和6500v，由大功率IGBT构成的现代化兆瓦级变流器，广泛出现在各类工业应用当中，尤其是近年来，随着新能源发电技术的发展，中大功率IGBT得到了更为广泛的应用。随着变流器容量的提升，变流器在整个系统的成本以及可靠性中所占的比重日益增大，因此，兆瓦级变流器的可靠性成为广泛关注的问题。
短路时IGBT失效的原因
短路故障是电力电子装置中常见的故障之一。电机绕组绝缘击穿、电机电缆绝缘击穿、误操作、驱动指令错误、不足的死区时间，都会造成短路故障的发生。
通常，IGBT短路故障致使IGBT损坏的原因主要有以下三种。总的来说，这三种原因都可以归结为器件中硅材料或焊接导线的热效应所引起。
（1）超出硅材料的热极限
短路过程中，IGBT承受整个vdc电压，同时ic为正常电流的若干倍。IGBT将承受远大于正常运行状态下的损耗，从而使得IGBT的结温迅速升高。如果结温超过了允许的最高结温，IGBT将因热积累作用失去阻断能力。vce将迅速降低，随后整个器件完全损坏。通常，IGBT生产厂家都会保证在特定情况下10μs的短路耐受时间。
（2）IGBT擎住效应
在IGBT中存在一个寄生的npn三极管，正常运行情况下，这个npn三极管被扩散电阻旁路，不会开通。然而，在ic很大的情况下，例如短路发生时，这个npn三极管将开通，这样IGBT门极将失去对IGBT的控制力。最终，IGBT将因为过大的电流使芯片和焊接导线上产生过大的损耗而损坏。
（3）vce过电压
在保护电路控制IGBT主动关断由于短路引起的大电流时，由于分布电感的存在会产生vce过电压，vce超过了特定的限制。IGBT将因雪崩击穿而损坏；与短路电流相等的ic将集中于一块很窄的硅上从而产生一个高温的热点，因此，IGBT失去它的阻断能力，并在几十ns内失去电压。为了防止由于这类原因造成IGBT失效，除了主回路的分布电感应尽可能地小，还需要一种带有vce控制的门极驱动器。
短路故障的关断过电压
通常情况下，IGBT短路故障被分为两类，开通短路（hsf）和通态短路（ful）。
开通短路是指负载短路发生在IGBT开通过程中，如图1a）所示。IGBT在t1时刻开始开通，ic迅速升高！dic/dt由门极驱动电路的特性和 IGBT的跨导决定。vce先下降，很短时间后重新开始上升，稳态时，vce略低于IGBT断态电压——直流侧电压vdc。
图1：两种IGBT短路故障特性
通态短路是指在IGBT已经开通进入稳定导通状态之后，负载发生短路，如图1b）所示。短路发生后，ic上升，dic/dt由短路阻抗和直流侧电压vdc决定。当ic升高至由门极电压vge和IGBT跨导所决定的稳态最大电流后，IGBT将退出饱和区，vce开始升高。vce的升高将通过米勒电容cgc耦合一个电流对IGBT门极进行充电，从而使得vge升高。vge的升高将使得ic继续增大，从而使得ic表现出很大的过冲，这将导致IGBT擎住现象发生甚至毁坏。
仔细观察图1中vce曲线，可以发现，在短路过程中，vce出现两次过冲。第一次过冲是因为IGBT自身的限流作用，第二次是因为人为的IGBT关断指令。通常，第二次电压过冲是很高的，如果没有进行妥善的处理，可能造成IGBT因为vce过电压而损坏。本文主要针对解决此问题，从门极驱动器的角度，展示了一种解决方法，保护IGBT免于由于此类故障损坏。
图2：换流回路的等效电路
IGBT关断过电压是存储在主回路分布电感中的能量重新分配的结果，无论何时，只要流经IGBT、母排、直流侧电容的电流发生换向，关断过电压都将出现。在如图2所示的等效电路图中，可得vce如下：
其中，lq包括了母排中的电感，直流侧电容中的等效串联电感以及IGBT封装中的电感。vdfy表示反并联二极管的正向恢复电压，通常为10到50v。
为了保证vce在IGBT的额定范围以内换流电流变化率必须满足下式。
短路时关断过电压的抑制方法
传统保护方法
传统IGBT驱动器 的控制框图如图3所示。正常运行时，IGBT经rg_on开通，经rg_off关断。当短路或过流故障发生时，为了限制关断过电压，IGBT经阻值较大的电阻rg_fault关断。这将使vge缓慢下降，从而消除显著的关断过电压。然而，这是一种开环的控制方法，无法完全保证IGBT在任何情况下都能够安 全的关断。同时，任何短路检测方法都需要一定的检测时间，如果IGBT关断信号在短路故障检测出之前使能，IGBT将经rg_off关断，这样一来，IGBT损坏将不可避免。
图3：传统的驱动电路 有源电压箝位技术
对于传统驱动器中存在的问题，本文中使用一种被称为“有源电压箝位技术”的方法，设计了一种闭环的保护驱动电路，如图4所示。
图4：所采用的的闭环保护方法示意图
图4中z为瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管为一种瞬态冲击电压保护器件，反应时间可以达到ns级。相比压敏电阻，其反应速度快，然而瞬态容量和稳态容量都远小于压敏电阻。
在检测到短路故障之后，IGBT经rg_fault关断，当vce升高至瞬态抑制二极管的击穿电压时，电流通过瞬态抑制二极管向IGBT门极充电，提升IGBT的门极电压vge，随着vce的继续升高，流过瞬态抑制二极管的电流将增大，从而动态的改变dic/dt，实现了关于vce的闭环保护。
实验结果
实验的等效电路图如图2所示。验证性实验使用一只Infineon公司的半桥IGBT模块ff450r17me3作为功率开关，9只低感薄膜电容——每只225μf/1200v——组成直流侧电容，功率开关与直流侧电容通过基于印刷电路板的叠形母排连接，以保证较低的主回路分布电感。ff450r17me3为采用Infineon公司第三代IGBT芯片技术，具有更低的导通压降，更快的开关速度，同时，采用了新的econodual封 装模式，保证了IGBT封装内部更低的分布电感。
图5：试验工作台
驱动板采用infineon的1700v IGBT驱动器2ed300c17作为核心器件，提供良好的隔离和两路隔离的正负30a的峰值驱动电流能力，以及过流保护、欠压保护等。通过实时检测导通时的vce电压，能够快速判定短路故障，及时控制门极电平，实现IGBT的软关断。其故障状态下的软关断功能和有源电压箝位功能共同作用，有效地抑制了在故障状态下关断IGBT时产生的高di/dt，降低了IGBT两端的关断过电压，保证在最严重的的短路下实现安全有效的保护。
图6：短路试验结果
在vdc=1200v下进行了短路试验，试验波形如图6所示。可见，在关断开通短路电流和通态短路电流时，vcemax被可靠地箝位在1350v，小于vces（1700v），使IGBT工作于安全工作区间内，有效地保护了IGBT，所采用的有源电压箝位技术达到了预期的效果。
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