功率模塊的過(guò)電流保護(hù)
作者：林 勇

O 引言
目前，功率模塊正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。功率模塊為機(jī)電一體化設(shè)備中弱電與強(qiáng)電的連接提供了理想的接口。
在任何運(yùn)行狀態(tài)下，功率模塊都需要受到保護(hù)，以避免其承受不允許的電流應(yīng)力，也就是說(shuō)，避免功率模塊的運(yùn)行區(qū)超出所給定的安全工作區(qū)。
超出安全工作區(qū)運(yùn)行將導(dǎo)致功率模塊受損傷，其壽命會(huì)由此而縮短。情況嚴(yán)重時(shí)還會(huì)立刻導(dǎo)致功率模塊的損壞。
因此，最重要的是先檢測(cè)出臨界的電流狀態(tài)和故障，然后再去恰當(dāng)?shù)仨憫?yīng)它們。
本文的敘述主要是針對(duì)IGBT的過(guò)電流保護(hù)，但是，也可以類(lèi)推應(yīng)用到功率MOSFET。

1 故障電流的種類(lèi)
故障電流是指超過(guò)安全工作區(qū)的集電極或漏極電流。它可以由錯(cuò)誤的控制或負(fù)載引起。
故障電流可通過(guò)以下機(jī)理導(dǎo)致功率半導(dǎo)體的損壞；
1)由高功率損耗導(dǎo)致的熱損壞；
2)動(dòng)態(tài)雪崩擊穿；
3)靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的擎住效應(yīng)；
4)由過(guò)電流引起的過(guò)電壓。
故障電流可進(jìn)一步劃分為過(guò)電流、短路電流及對(duì)地故障電流。
1.1 過(guò)電流
特征：
1)集電極電流的di／dt低(取決于負(fù)載電感和驅(qū)動(dòng)電壓)；
2)故障電流通過(guò)直流母線(xiàn)形成回路；
3)功率模塊沒(méi)有離開(kāi)飽和區(qū)。
起因：
1)負(fù)載阻抗降低；
2)逆變器控制出錯(cuò)。
1.2 短路電流
特征：
1)集電極電流急劇上升；
2)故障電流通過(guò)直流母線(xiàn)形成回路；
3)功率模塊脫離飽和區(qū)。
起因：
1)橋臂直通短路(圖l中的情況1)
一一由于功率模塊失效而引起；
一一由于錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)而引起。
2)負(fù)載短路電流(圖l中的情況2)
一一由于絕緣失效而引起；
一一由于人為的失誤而引起(例如誤接線(xiàn))。
1．3 對(duì)地故障電流
圖l中的情況3。

特征：
1)集電極電流的上升速度取決于接地電感和作用于回路的電壓；
2)對(duì)地故障電流不經(jīng)過(guò)直流母線(xiàn)形成封閉回路；
3)功率模塊脫離飽和區(qū)與否取決于故障電流的大小。
起因：
由于絕緣的失效或人為的失誤使帶電導(dǎo)線(xiàn)和大地電位之間存在連接。

2 ICBT和MOSFET在過(guò)載及短路時(shí)的特性
2.1 過(guò)電流
原則上，器件在過(guò)電流時(shí)的開(kāi)關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運(yùn)行時(shí)的特性相比并沒(méi)有什么不同。由于較大的負(fù)載電流會(huì)引起功率模塊內(nèi)較高的損耗，所以，為了避免超過(guò)最大的允許結(jié)溫，功率模塊的過(guò)載范圍應(yīng)該受到限制。
在這里，不僅僅是過(guò)載時(shí)結(jié)溫的絕對(duì)值，而且連過(guò)載時(shí)的溫度變化范圍都是限制性因素。
幾個(gè)ICBT和MOSFET的具體的限定值，由圖2所示的典型功率模塊的安全工作區(qū)給出。

2．2 短路
原則上，ICBT和MOSFET都是安全短路器件。也就是說(shuō)，它們?cè)谝欢ǖ耐獠織l件下可以承受短路，然后被關(guān)斷，而器件不會(huì)產(chǎn)生損壞。
在考察短路時(shí)(以IGBT為例)，要區(qū)分以下的兩種情況。
1)短路I
短路I是指功率模塊開(kāi)通于一個(gè)已經(jīng)短路的負(fù)載回路中。也就是說(shuō)，在正常情況下的直流母線(xiàn)電壓全部降落在功率模塊上。短路電流的上升速度由驅(qū)動(dòng)參數(shù)(驅(qū)動(dòng)電壓、柵極電阻)所決定。由于短路回路中寄生電感的存在，這一電流的變化將產(chǎn)生一個(gè)電壓降，其表現(xiàn)為集電極一發(fā)射極電壓特性上的電壓陡降，如圖3所示。

穩(wěn)態(tài)短路電流值山功率模塊的輸出特性所決定。對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)，典型值最高可達(dá)到額定電流的8~10倍。
2)短路Ⅱ
在此情形下，功率模塊在短路發(fā)生前已經(jīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)。和短路Ⅱ情形相比較，功率模塊所受的沖擊遠(yuǎn)為甚之。
為了解釋這個(gè)過(guò)程，圖4顯示了短路Ⅱ的等效電路圖及其定性的特性曲線(xiàn)。

一旦短路發(fā)生，集電極電流迅速上升，其上升速度由直流母線(xiàn)電壓VDC和短路回路中的電感所決定。
在時(shí)間段1內(nèi)，IGBT脫離飽和區(qū)。集電極一發(fā)射極電壓的快速變化將通過(guò)柵極 集電極電容產(chǎn)生一個(gè)位移電流，該位移電流又引起柵極一發(fā)射極電壓升高，具結(jié)果是出現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的短路峰值電流IC/SCM。
在IGBT完全脫離飽和區(qū)后，短路電流趨于其穩(wěn)態(tài)值(時(shí)間段2)。這期間，回路的寄生電感將感應(yīng)出一個(gè)電壓，其表現(xiàn)為IGBT的過(guò)電壓。
在短路電流穩(wěn)定后(時(shí)間段3)，短路電流被關(guān)斷。此時(shí)換流回路中的電感Lx將在IGBT上再次感應(yīng)一個(gè)過(guò)電壓(時(shí)間段4)。
IGBT在短路過(guò)程中所感應(yīng)的過(guò)電壓可能會(huì)是其正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)倍，如圖5所示。

為保證安全運(yùn)行，必須滿(mǎn)足下列重要的臨界條件：
1)短路必須被檢測(cè)出，并在不超過(guò)lOμs的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉；
2)兩次短路的時(shí)間間隔最少為1s；
3)在IGBT的總運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，其短路次數(shù)不得大于1000次。
短路I和短路Ⅱ均將在功