IGBT的短路保护和过流保护

Posted 2021-10-01 小幽余生不加糖

IGBT保护的问题

现在只总结IGBT驱动电路和驱动芯片能保护到的IGBT的项。
1.Vce过压
2.Vge过压
3.短路保护
4.过高的di/dt

主要是看一下短路保护和过流保护
短路的定义
1.桥臂内短路（直通）命名为一类短路；
2.桥臂间短路（大电感短路）命名为二类短路，可以使用霍尔检测，格局电流变化率来判定。

IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下这是个线性方程，它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压，回路中的电感量，及整个过程持续的时间有关系。

绝大部分的短路，母线电压都是在额定点的，影响短路电流的主要因素是“短路回路中的电感量”。因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。
如果短路回路中的电感量在继续增大，那么电流变化率就变得更低，此时就不是短路了，变成“过流”了。这时候需要电流传感器或者特定的电路来感知电流的绝对数值，从而进行“过流保护”。通常驱动芯片只能进行短路保护，不能进行过流保护。短路保护和过流保护是两个不一样的概念。

短路保护原理：
短路保护，desat保护又叫退饱和保护。
1.如下图是一款驱动芯片内部的原理框图

其原理是：（1）当IGBT关断时，T1导通，电流源1被T1旁路，Ca的点位被钳位到低位，比较器不翻转；
（2）当IGBT进入开通过程中，T1截止，IGBT进入饱和导通，电流源1流过Rm，Dm及IGBT形成回路，比较器不翻转；
（3）当IGBT出现短路时，会退出饱和区，Vce快速上升直至母线电压，Dm马上截止，电流源1则向 Ca充电，Ca的点位线性上升，达到门槛时比较器翻转。
短路保护其实是驱动芯片监测的 Vce之间的压降。可以参考数据手册得知desat设定的阈值,Vce达到这个阈值就开始进行短路保护动作。

IGBT发生短路时，电流上升至4倍额定电流以上，最终IGBT是要将这个电流关断掉的，这时的电流数值比平常工作的电流高了许多，所以此时的电压尖峰也是非常高的。所以为了防止高的电压尖峰损坏IGBT，还需要引入有源钳位电路吸收掉此时的高电压尖峰。

过流保护：
IGBT过流是回路电感较大，电流爬升缓慢（相较于短路），IGBT不会发生退饱和现象，所以需要靠电流传感器来感知电流的数值，对系统进行保护。

除了通过电流传感器来采集电流之外，和可以在驱动电路中引入过流检测电路。Di/dt检测，Vce饱和压降检测都可以检测过流。
电流传感器检测主要采用闭环霍尔电流传感器进行采样，受限于霍尔传感器的频带宽度及控制采样电路的延迟，实时性可能还有待提高；di/dt检测主要是依据IGBT的功率E级和驱动E级之间的寄生电感来判断电流的大小，而此电感参数并不容易测量；Vce饱和压降检测可采用IGBT驱动芯片的去饱和Desat检测功能。
原理图如下图：
D5为 低 温 漂 型 电 压 比 较 器LM2903。通过调整 Ｒ1、Ｒ2的阻值可在 D5的 2 脚端得到
需要的阈值电压 Vth。IGBT 正常工作时，D5的 3 脚端电压低于 Vth，比较器输出为低电平，由于比较器输出为三极管 OC 门输出，DESAT 端电压箝位在约 0 V 的低电平，无过流故障发生; 当 IGBT 的 VCE因过流上升，D5的 3 脚电压高于 Vth时，比较器翻转输出高电平，OC 门关断，DESAT 端电压上升到 + 15 V，超过芯片内部的 6. 5 V 比较门限，过流故障发生。

采用电压基准源 TL431 和电压比较器 LM2903 的过流保护电路可根据 IGBT 的不同调整 Ｒ1、Ｒ2的阻值，生产调试较为方便。