1 引言

為確保電力電子組件在非允許工作的條件影響下得到可靠的保護，需要快速和可靠的錯誤檢測及有效的保護措施。在功率模塊中，即可通過系統控制器或者通過IGBT驅動器提供錯誤管理。系統控制器適用于對慢速故障模式做出反應，如超溫所導致的過熱。相反，需要驅動電子檢測和響應突發錯誤。如今市場上有各種驅動器，它們的適用性、效率和可靠性各不相同。

2 功率轉換系統的故障

功率轉換系統中的快速錯誤包括短路和電路引起的過電壓。短路是速度最快的錯誤。

當電力電子系統投入使用時，連接和隔離錯誤往往是造成短路的因素，而在現場應用中，短路可能歸因于故障組件。

如果短路發生在負載通道或者橋接旁路，IGBT的集電極電流完全增大，造成晶體管飽和。如今市場上的IGBT模塊只能防短路很短的時間。為了防止IGBT被熱負荷摧毀，在安全時間內檢測到短路并且可靠地關斷IGBT是至關重要的。

驅動器的電子電路可通過測量di/dt或者監測VCE 檢測短路。

圖 1 （a） di/dt檢測電路圖 ；（b） VCE 監測電路圖

di/dt檢測電路見圖1（a），驅動器通過電子線路測量IGBT中電流的變化率。輔助和功率發射極間的雜散電感上的壓降正比于集電極電流的變化率（di/dt）。通過將電壓與參考電壓相比較，可以檢測出快速的短路。為了監測緩慢短路，該方法在鍵合線及功率和輔助發射極間的內部母線中使用阻性元件。然而，此方法還取決于用于電源連接的螺絲連接。這些顯示了一定的接觸電阻特性分布，并要考慮與其他電阻元件的串聯。這要求精確地適應給定的系統。一般來說，di/dt檢測只能用于帶有輔助發射極輸出的IGBT模塊。

VCesat 監測（圖1b）是通過集電極電流與通態電壓的關系曲線實現的。為此，集電極-發射極電壓被測量，并通過一個比較器與一個參考電壓相比較。如果電壓讀數超過參考電壓，驅動器的電子電路會自動關斷晶體管。由于晶體管電壓的迅速增加，Vce監測是一個可靠的短路檢測方法。Vce監測的優點是可快速檢測到短路，適用于任何標準的IGBT。

如果短路時負載帶有較大的電流，如在電源側，集電極電流上升速度更加緩慢。在這種情況下，Vce閾值必須做相應的調整。為了能夠在過流檢測中使用Vce方法，可使用多級Vce監測。此時，定義幾個帶給定參考時間的跳變閾值。但是，這種方法的缺點是溫度不同會導致測量結果完全不一樣，以及要調整給定系統各級所涉及的因素也是非常復雜的。一般來說，更為有效和可靠的檢測慢速過電流方法是采用集成電流傳感器。

除了快速錯誤檢測，對短路做出有效和可靠的響應也是至關重要的。如果驅動器用在多級應用中或者用于驅動同步電機，主控制器應負責系統的關閉。在這種情況下，驅動器只發送隔離錯誤信號到控制器并等待指令。例如，在多級應用中，如果驅動器直接關斷功率半導體器件，然后發送信號給控制器，那么在整個信號傳輸和響應時間內，整個直流環節電壓可能施加在一個 IGBT上。這將導致模塊的損壞。然而，在大部分應用中，讓驅動器直接關斷功率模塊更加安全。驅動器可以更迅速地作出響應，因為它無需等待信號傳輸過程完成，可從二次側獨立關斷模塊。驅動器可確保關斷短路電流時避免產生電壓尖峰，通過一個軟關斷或二級關斷功能的途徑實現。此時，驅動器關斷具有更大柵極電阻的IGBT會更慢，這樣可保護模塊，使其避免超出安全工作區（SOA）。

第二種快速錯誤模式是由電路引起的過電壓導致的。必須檢測關斷過程中產生的過電壓并將其迅速減小以防止IGBT模塊被損壞。電源電路中的雜散電感導致開關浪涌，例如母線所導致的。外部引發的過電壓是緩慢的，可通過監控直流環節電壓更有效地控制。

3 IGBT驅動器的保護

驅動器電子可以通過有源鉗位直接控制過電壓，也可以使用IntelliOff（智能關斷），一種用于減小臨界電壓尖峰的功能。

只要出現過電壓，有源鉗位讓IGBT重新導通。柵極充電過程基本上是由集電極和柵極間的中央單元控制的，以降低過電壓。

圖2 有源鉗位電路圖

這里，過電壓值的最大值對應齊納電壓。晶體管再次工作在安全操作區內，但將儲存在Lk中的能量轉換為熱量。在此過程中，IGBT內部在很短的時間內產生大量的額外損耗。這些損耗加速了組件的老化過程并限制了變換器系統的可靠性。

防止發生過電壓的一種方法是使用IntelliOff關斷功能。結合對軟關斷幾乎是即時開關響應的優點，IntelliOff提供了優化的關斷能力。得益于不同速度的柵極放電，關斷過程本身被IntelliOff優化。首先，驅動器啟動IGBT關斷過程越快越好。只要關斷過程進入過壓階段，驅動器減慢關斷過程，在這種情況下主動應對過電壓。最后，IGBT驅動器安全可靠地關斷模塊。

圖3 IntelliOff，積極主動的過壓保護

只要關斷信號到來，驅動器產生負的柵極電荷。柵極集電極和發射極電容的放電過程開始，柵極電流達到其負峰值（period 0）。由于米勒效應，其描述了電容容抗在關斷時的反饋過程，柵極發射極電壓在特定的時間（period 1）內保持較高的電平。得益于小阻值的關斷電阻，IntelliOff縮短了放電時間，并允許該過程加速。在period 2，大阻值電阻減慢關斷過程，這樣做避免了電路引起的電壓尖峰（period 2）。如果沒有IntelliOff，在有源箝位的情況下，這一階段可能會出現過壓，產生額外的損耗。如果不采取合適的保護措施，最終可能會導致模塊的損壞。一旦危險的電壓尖峰時間過去了，驅動器通過IntelliOff功能實現關斷電阻的并聯，確保IGBT被安全有效地關斷。得益于大小關斷電阻間的可調時間常數，簡單的調整是可能的。

特別是新一代IGBT，具有非常快和硬的開關特性。IntelliOff功能可確保無危險電壓尖峰風險的快速關斷，并由此幫助確保新IGBT模塊的最佳性能。相比之下，替代的防護概念以限制IGBT模塊性能換取保護，這樣做會產生額外的損耗。

4 結論

柵極驅動器的理想保護取決于特定的應用。然而，一般來說，在系統標注尺寸階段調查和分析錯誤機制是明智的。采用柵極驅動器去永久性地補償非允許條件，不是一個有效的解決方案，再者也會降低可靠性。一個更加有效的過電壓保護方法是使用IntelliOff功能，可在第一時間防止出現電壓尖峰。VCE監測是一種可靠的短路檢測方法，相比di/dt檢測具有許多優勢，因其可適應和適用于任何的標準模塊。

當今市場上有許多不同的驅動器保護解決方案，從標準的保護功能到高度復雜的驅動器解決方案。然而，采用簡單的驅動器解決方案，用戶必須自己集成保護功能，并為整個系統提供驅動器保護。這會是相當昂貴的并且驅動器保護往往被低估。相比之下，高度復雜的驅動器解決方案往往存在不利之處，系統的實現相當復雜且使用壽命常常是受限的。一個最佳的驅動解決方案必須滿足系統的可靠性要求，但也應把大規模生產應用的價格作為重要因素來考慮。