功率模块的过电流保护

功率模块的过电流保护
作者：林 勇

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