功率模块的过电流保护

O 引言
    目前，功率模块正朝着集成化、智能化和模块化的方向发展。功率模块为机电一体化设备中弱电与强电的连接提供了理想的接口。
    在任何运行状态下，功率模块都需要受到保护，以避免其承受不允许的电流应力，也就是说，避免功率模块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功率模块受损伤，其寿命会由此而缩短。情况严重时还会立刻导致功率模块的损坏。
    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它们。
    本文的叙述主要是针对IGBT的过电流保护，但是，也可以类推应用到功率MOSFET。

1 故障电流的种类
    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。
    故障电流可通过以下机理导致功率半导体的损坏；
    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。
    故障电流可进一步划分为过电流、短路电流及对地故障电流。
1.1 过电流
    特征：
    1)集电极电流的di／dt低(取决于负载电感和驱动电压)；
    2)故障电流通过直流母线形成回路；
    3)功率模块没有离开饱和区。
    起因：
    1)负载阻抗降低；
    2)逆变器控制出错。
1.2 短路电流
    特征：
    1)集电极电流急剧上升；
    2)故障电流通过直流母线形成回路；
    3)功率模块脱离饱和区。
    起因：
    1)桥臂直通短路(图l中的情况1)
    一一由于功率模块失效而引起；
    一一由于错误的驱动信号而引起。
    2)负载短路电流(图l中的情况2)
    一一由于绝缘失效而引起；
    一一由于人为的失误而引起(例如误接线)。
1．3 对地故障电流
    图l中的情况3。

    特征：
    1)集电极电流的上升速度取决于接地电感和作用于回路的电压；
    2)对地故障电流不经过直流母线形成封闭回路；
    3)功率模块脱离饱和区与否取决于故障电流的大小。
    起因：
    由于绝缘的失效或人为的失误使带电导线和大地电位之间存在连接。

2 ICBT和MOSFET在过载及短路时的特性
2.1 过电流
    原则上，器件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什么不同。由于较大的负载电流会引起功率模块内较高的损耗，所以，为了避免超过最大的允许结温，功率模块的过载范围应该受到限制。
    在这里，不仅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性因素。
    几个ICBT和MOSFET的具体的限定值，由图2所示的典型功率模块的安全工作区给出。

2．2 短路
    原则上，ICBT和MOSFET都是安全短路器件。也就是说，它们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(以IGBT为例)，要区分以下的两种情况。
    1)短路I
    短路I是指功率模块开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功率模块上。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，其表现为集电极一发射极电压特性上的电压陡降，如图3所示。

    稳态短路电流值山功率模块的输出特性所决定。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
    在此情形下，功率模块在短路发生前已经处于导通状态。和短路Ⅱ情形相比较，功率模块所受的冲击远为甚之。
    为了解释这个过程，图4显示了短路Ⅱ的等效电路图及其定性的特性曲线。

    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。集电极一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一发射极电压升高，具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的过电压。
    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Lx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，如图5所示。

    为保证安全运行，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lOμs的时间内关闭；
    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。
    短路I和短路Ⅱ均将在功率模块中引起损耗，从而使结温卜升。在这里，集电极一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，如图6所示。

3 故障的检测和保护
    逆变器中的故障电流可以在不同的节点检测，对被检测到的故障电流的反应也可能各不相同。
    这里将讨论快速保护，前提是故障电流在功率模块内部被检测到，并且功率模块由驱动器直接关断。功率模块的总响应时间可能只有数十ns。
    若故障电流检测位于功率模块之外，则故障电流信号首先被送至逆变器的控制板，并从那里出发并触发故障反应程序，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)。
3.1 故障电流的检测
    图7给出了一个电压型逆变电路。在这里，可能检测到故障电流的测试点均被注出。

    故障电流的检测可以作如下划分：
    1)过电流 可在①~⑦点检测；
    2)桥臂直通短路 可在①~④和⑥~⑦点检测；
    3)负载短路 可在①~⑦点检测；
    4)对地短路 可在①、③、⑤、⑥点检测，或通过汁算①与②点电流之差而得到。
    原则上，控制短路电流要求快速的保护措施，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功率模块必须在lOμs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点的测量可以通过测量分流器或感应式电流变换器来实现。
3.1.1 测量用分流器
    1)测量方法简单；
    2)要求低电阻(1O~lOOmΩ)、低电感的功率分流器；
    3)测量信号对干扰高度灵敏；
    4)测量信号不带电位隔离。
3．1．2 测量用电流互感器
    1)远较分流器复杂；
    2)与分流器相比较，测量信号不易受干扰；
    3)测量值已被隔离。
    在测试点⑥和⑦，故障电流的检测可以直接在IGBT或MOSIEET的端子处进行。在这里，保护方法可以是vCEsat或vDS（os）检测(间接测暈)，或者是镜像电流枪测。后者采用一个传感器一小部分的检测IGBT单元的办法来反映主电流(直接测量)。图8给出了原理电路图。

3.1.3 用镜像ICBT来检测电流
    在一个镜像IGBT中，一小部分的ICBT单元和一个用于检测的发射极电阻相结合，且并联于主IGBT的电流臂上。一旦导通的集电极电流通过测量电阻，便可以获得其信息。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，以便获得足够准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功率模块的额定电流，那么在IGBT开通期间，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(在硬开关电路中)。
    若检测电阻趋于无限大时(Rsense→∞)，则其测量电压等于集电极一发射极饱和电压。因此，镜像电流检测转化为vCEsat检测。
3.2 故障电流的降低
    通过降低或限制高额故障电流，特别足在短路和低阻抗的对地短路情况下，功率模块可以获得更好的保护。
    如图l中所示的那样，在短路Ⅱ情形下，高dvCE/dt引起栅极——发射极电压上升，进而产生一个动态的短路过电流。
    短路电流的幅度可以通过栅极——发射极电压的箝位来降低。
    除了限制动态短路过电流外，稳态的短路电流也可以通过减小栅极——发射极电压的方法来减小。这一方法将减小短路期间功率模块的损耗，同时由于需关断的短路电流较低，过电压也随之降低。其原理见图9所示。

    这一保护技术可以将耐冲击功率模块的稳态短路电流限制在额定电流的3倍左右。

4 结语
    随着电力电子技术的发展，类似IGBT、MOS-FET的功率模块的应用也越来越普及。为了其安全高效地工作运行，必须对功率模块考虑过电流保护措施。首先，应能在最短的时间内检测到过电流故障，然后，采取适当的方式保护功率模块。
    有时候，在过电流发生时，立即关断功率模块并不是最佳方式。一个极为简单的动态栅极控制的保护方式是，在IGBT和MOSFET过流或短路情况下采用降低栅极——发射极电压的方法，减慢关断过程。这就是功率模块的“软”关断过程。