IGBT过流保护电路设计-设计原理及电路类型
1.过电流损坏原因
IGBT内部有寄生晶体管，在规定漏极电流范围内，其产生的正偏压不足以使晶体管导通，当漏极电流大到一定程度，正偏压足以使晶体管导通，近而使寄生晶体管开通，栅极失去控制，发生擎柱效应（自锁效应）。此时关断无效，集电极电流很大致使IGBT损坏。当电流还未达到擎柱效应所需电流值时，如果IGBT运行指标超过SOA所限定的电流安全边界，也就工作在了过电流状态下，长时间过流运行造成很高的功耗，损坏器件。在最严重的过电流情况，即短路发生时，电流很快达到额定电流的4 ~5倍，此时必须尽决关断器件，否则器件将很快损坏。
在IGBT的实际使用上，由于装置的短路事故等原因，会出现IGBT上有过电流流过的情况，从这种过电流开始流过到造成破坏的时间用“短路最大耐受量”来表示。另外，过电流越小，相对应的短路最大耐受量就变得越高（长）。IGBT自身能限制几倍于额定电流的短路电流，从而实现了在检测出过电流后能够加以充分保护的高短路最大耐受量。
根据IGBT的静态特性，当发生过电流时，VCE会随电流急剧变大，可以通过检测 VCE的、来判断是否过电流。当检测到过电流发生时，首先采取降栅压措施，栅压降低以后，电流显著减小。这样一方面可以保护器件，另一方面如果确定是短路需要关闭器件时，不用在相当大电流的基础上执行关断，反而会引入di/dt的问题。当栅压运行一段时间后，如果电流恢复正常，可以再加上正常的栅压。这样可以有效避免假过电流造成的误保护。但如果电流仍然处于过电流的状态，可以判断是短路故障，应该马上对IGBT进行关断。此时绝对不能快速关断，因为短路时电流非常大，直接关断会在线路寄生电感上产生很大的电压，进而损坏器件。此时应该保证电流变化率不留蹦情，玨丽匠电压缓慢降低关断器件。
2．故障电流的种类
在任何运行状态下，功率模块留嚅要受到保护，以避免其承受不允许的电流应力，也就是说，避免IGBT的运行区超出所给定的安全工作区。超出安全工作区运行将导致IGBT受损伤，其寿命会由此而缩短。情况严重时还会立刻导致IGBT的损坏。因此，最重要的是先检测出临界的电流状态和故障，然后再去恰当地响应。故障电流是指超过安全工作区的集电极或漏极电流，它可以由错误的控制或负载引起。
IGBT因其饱和压降低和工作频率高等优点而成为大功率开关电源等电力电子装置的首选功率器件，但IGBT和晶体管一样，其抗过载能力不高。因此，IGBT必须设有完善的过电流保护电路，故障电流可通过以下机理导致IGBT的损坏：
1)由高功率损耗导致的热损坏。
2)动态雪崩击穿。
3)静态或动态的擎住效应。
4)由过电流引起的过电压。
3．IGBT的过电流保护分类
IGBT的过电流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2 ~1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（8 ~10倍）的短路保护。
(1)过载保护
原则上，IGBT在过电流时的开关和通态特性与其在额定条件下运行时的特性相比并没有有什么不同。由于较大的负载电流会引起IGBT内较高的损耗，所以，为了避免超过最大的允许结温，IGBT的过载范围应该受到 限制。不仅是过载时结温的绝对值，而且连过载时的温度变化范围都是限制的因素。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输人端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT 驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。
(2)短路保护
IGBT能承受短路电流的时间很短，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT 允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降 3V的IGBT 允许承受的短路时间可达15μs，饱和压降4 ~5V的IGBT允许承受的短路时间可达30μS以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随蕃蓖篇两三茨另增大，造成承受短路的时间迅速减小。
原则上，IGBT都是安全短路器件，也就是说，它在一定的外部条件下可以承受短路，然后被关断，而器件不会产生损坏。在考察短路时，要区分以下的两种情况。
1)短路I。短路I是指IGBT导通于一个已经短路的负载回路中。也就是说，在正常情况下的直流母线电压全部降落在IGBT上。短路电流的上升速度由驱动参数（驱动电压、栅极电阻）所决定。由于短路回路中寄生电感的存在，这一电流的变化将产生一个电压降，其表现为集电极—发射极电压特性上的电压陡降。稳态短路电流值由IGBT的输出特性所决定。对于IGBT 来说，典型值最高可达到额定电流的8~10倍。
2)短路Ⅱ。在短路Ⅱ隋形下，IGBT在短路发生前已经处于导通状态。和短路I情行相比较，IGBT所受的冲击更大。一旦短路发生，集电极电流迅速上升，其上升速度由直流母线电压VDC和短路回路中的电感所决定。在时间段1内，IGBT 脱离饱和区。集电极—发射极电压的快速变化将通过栅极—集电极电容产生一个位移电流，该位移电流又引起栅极—发射极电压升高，其结果是出现一个动态的短路峰值电流IC/SCM。在IGBT完全脱离饱和区后，短路电流趋于其稳态值（时间段2）。这期间，回路的寄生电感将感应出一个电压，其表现为IGBT过电压。
在短路电流稳定后（时间段3），短路电流被关断。此时换流回路中的电感LK将在IGBT上再次感应一个过电压（时间段4）。IGBT在短路过程中所感应的过电压可能会是其正常运行时的数倍。为保证IGBT安全运行，必须满足下列重要的临界条件：
①短路必须被检测出，并在不超过10μs的时间内关闭IGBT。
②两次短路的时间间隔最少为1s。
③在IGBT的总运行时间内，其短路次数不得大于1000次。
IGBT的技术资料表明，IGBT在10μs内最大可承受2倍的额定电流，但是经常承受过电流会使器件过早老化，故IGBT的过电流保护电路的设计原则为
1)当过电流值小于2倍额定电流值时，可采用瞬时封锁栅极电压的方法来实现保护。
2)当过电流值大于2倍额定电流值时，由于瞬时封锁栅极电压会使di/dt很大，会在主回路中感应出较高的尖峰电压，故应采用软关断方法使栅极电压在2 ~5μs的时间内降至零电压，至最终为-5V的负电压。
3)采用适当的栅极驱动电压。
基于上述思想，驱动过电流保护电路现分为分离元件过电流保护电路和模块过电流保护电路。短路I和短路Ⅱ 均将在IGBT中引起损耗，从而使结温上升。在这里，集电极—发射极电压的正温度系数有着一个优点（对漏源电压也同样适用），它使得稳态短路期间的集电极电流得以降低。
4．过电流保护检测电路
为了实现IG-BT的过电流保护，必须进行过电流检测。适用于过电流检测方法通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的集电极电流IC，然后与设定的阈值进行比较，采用比较器的输出去控制驱动信号的关断；也可以检测过电流时IGBT的集电极—发射极极电压VCE，因为管压降含有短路电流的信息，过电流时VCE将增大，且基本上与Ic 呈线性关系，故检测过电流时的VCE并与设定的阈值进行比较，采用比较器的输出控制驱动电路的关断，也可完成过电流保护。
图1所示为过电流检测的位置，表1对各种过电流检测的位置对应的特征和可以检测出的内容进行了说明。设计中应根据实际电路的需要选择过电流检测电路。
| 检测位置 | 特征 | 检测内容 |
| 与平滑电容器串联（图1中的①） | 使用AC 电流互感器，检测精度低 | 支路短路、串联支路短路、输出短路、接地 |
| 变频器的输入端（图1中的②） | 需要使用DC 电流互感器，检测精度低 | 支路短路、串联支路短路、输出短路、接地 |
| 变频器输出端(图1中的③） | 高压输出上使用AC 电流互感器，检测精度高 | 输出短路、接地 |
| 与各元件串联 (图1中的④) | 需要使用DC 电流互感器，检测精度高 | 支路短路、串联支路短路、输出短路、接地 |
用电阻或电流互感器构成的检测过电流电路如图2a及图5-8b所示，可以用电阻或电流互感器一次侧与IGBT 串联，检测IGBT集电极的电流。当有过电流情况发生时，控制单元断开IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。
a)用电阻检测过电流 b)用电流互感器检测过电流
c)用VCE(sat）检测过电流 d)通过负载电流检测过电流
如前所述，由于需要对IGBT进行短时间内的保护，因此应将从检测出过电流到完成关断为止各电路的动作延迟时间设计为最小。另外，由于IGBT的关断时间极短，如果用通常的驱动信号来切断过电流，则集电极的电压上跳变大，IGBT有可能被过电压损坏。因此，应在切断过电流时，使IGBT 软关断。
(2)检测 IGBT的VCE（sat）电压的过电流检测电路
检测IGBT的VCE(sat）电压的过电流检测电路如图2c所示，因VCE(sat）=ICRCE（sat），当IC增大时，VCE(sat）也随之增大若栅极电压为高电平，而VCE为高，则此时就有过电流情况发生，此时与门输出高电平，将过电流信号输出，控制单元断开IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。图3所示为采用检测VCE( sat)的短路保护电路实例。
该电路通过VD1对IGBT的集电极—发射极问电压进行监视，当在导通的时段中IGBT的集电极—发射极问的电压超出VS设定的电压时即作为短路状态被检测出来，则Vl开通、V2 关断、V3 关断。此时，栅极存储的电荷通过RGE缓慢放电，从而抑制了IGBT 关断时产生过大的尖峰电压。一些IGBT 驱动用混合式IC内置了与此相同的短路保护电路，能够实现电路设计的简化。
(3)检测负载电流的电路
检测负载电流的电路与图2a中的检测方法基本相同，但图2a属直接法，检测负载电流属间接法，如图2d所示。若负载短路或负载电流加大时，也可能使前级的IGBT的集电极电流增大，导致IGBT损坏。由负载处（或IGBT的后一级电路）检测到异常后，控制单元切断IGBT的输入，达到保护IGBT的目的。
由IGBT构成的逆变器中的故障电流可以在电路的不同节点检测，对被检测到的故障电流的反应现象也各不相同。故障电流若是在IGBT功率模块内部被检测到，并由 IGBT功率—模块内的驱动器直接关断，IGBT的总响应时间可能只有数十ns。
若故障电流检测位于IGBT功率模块之外，则故障电流信号首先被送至逆变器的控制 电路，并从控制单元发出触发故障反应程序，这一过程被称作慢保护。此过程甚至还可以由逆变器的控制调节系统来处理（例如，系统对过载的反应），但使IGBT的总响应时间延长。
图4所示为一个电压型逆变电可能检测到故障电流的测试点示意图。故障电流的检测可以作如下划分：
过电流可在①~⑦点检测；桥臂直通短路可在①~④和⑥、⑦点检测；负载短路可在①~⑦点检测；对地短路可在①、③、⑤、⑥点检测，或通过计算①与②点电流之差而得到。原则上，IGBT短路保护要求具有快速性，以在驱动电路的输出端实现直接控制，原因是在短路发生后IGBT功率模块必须在10μs 之内关闭。为此，故障电流可以在检测点③、④、⑥和⑦处检测。
在①~⑤点测量故障电流可以通过测量分流器或测量用电流互感器来实现，采用测量用分流器检测过电流的检测方法简单；要求低电阻(10 ~100mΩ)、低电感的功率分流器；测量信号对干扰高度灵敏；测量信号不带电位隔离。采用电流互感器检测过电流远比分流器复杂；与分流器相比较，测量信号不易受干扰；测量输出信号与一次电路电气隔离。
在测试点⑥和⑦检测故障电流可以直接在IGBT的端子处进行，在这里保护方法可以是检测 （间接测量）VCEsat，或是镜像电流检测。镜像电流磕测桌甬一个传感器检测一小部分IGBT 单元电流的办法来反映主电流（直接测量），镜像电流检测的原理电路图如图5所示。
a)镜像电流法 b）VCE( sat)检测
一个镜像IGBT中，一小部分的IGBT 单元和一个用于检测的发射极电阻相结合，并联接于主IGBT的电流臂上。一旦导通的集电极电流通过测量电阻，便可以获得其电流检测值。在Rsense=0时，两个发射极之间的电流比等于理想值，为镜像IGBT 单元数与总单元数之比。如果Rsense增大，则测量电路中导通的电流将因测量信号的反馈而减小。
因此，电阻Rsense应被控制在1~5Ω的范围内，以便获得足够精确的集电极电流测量结果。如果用于关断的电流门限值只是略大于IGBT功率模块的额定电流，那么在IGBT导通期间，因为反向续流二极管反向恢复电流峰值的作用，电流检测必须关闭（在硬开关电路)。检测电阻趋于无限大时(Rsense→∞)，则其测量电压等于集电极—发射极饱和电压。因此，将镜像电流检测转化为VCE( sat)检测。
