01 前 言
大家好，IGBT在應(yīng)用過程中不可避免地會(huì)發(fā)生過流或短路故障，當(dāng)發(fā)生此類故障時(shí)，器件的電流非常大，極易使IGBT芯片結(jié)溫升高，導(dǎo)致器件燒壞。為了查明故障原因，找到解決方法，我們一般會(huì)分析IGBT發(fā)生過流或短路時(shí)的故障路徑。這期我們以兩電平逆變器應(yīng)用為例，分析一下IGBT容易出現(xiàn)的幾種短路故障類型，加深大家對(duì)于短路故障的理解。
02 IGBT過流和短路故障區(qū)別
在分析IGBT的短路故障前，有必要對(duì)過流和短路兩個(gè)概念進(jìn)行簡單解釋。
過流一般是指由于某種原因引起的負(fù)載過載（例如電機(jī)堵轉(zhuǎn)），也有可能是由于軟件控制問題導(dǎo)致的電流發(fā)散、振蕩導(dǎo)致。而短路一般是指橋臂直通，或母線電壓經(jīng)過IGBT的無負(fù)載回路（相間短路或相對(duì)地短路）。
過流和短路的保護(hù)方法也有所不同，過流保護(hù)通常會(huì)采用輸出電流傳感器作為檢測元件，在控制板上通過硬件或軟件方式實(shí)施保護(hù)，而短路保護(hù)只能通過硬件進(jìn)行檢測，一般會(huì)集成到IGBT驅(qū)動(dòng)電路上，通過檢測IGBT的退飽和行為來實(shí)施保護(hù)。
下面我們以工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器為例說明一下常見的短路故障，如圖1所示：
圖1 工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)短路故障
① 橋臂直通：一個(gè)橋臂的兩個(gè)IGBT同時(shí)開通所導(dǎo)致，這種情況可能是因?yàn)樵馐芰?/span>電磁干擾或控制器故障，也有可能是因?yàn)闃虮壑械囊粋€(gè)IGBT故障，而正常的IGBT保持開關(guān)動(dòng)作。
② 相對(duì)相短路：可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過高或過壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組之間發(fā)生絕緣擊穿所引起的，也有可能由于傳輸電纜絕緣損壞。
③ 相對(duì)地短路：同樣可能是因?yàn)樾阅芟陆?、溫度過高或過壓事件導(dǎo)致電機(jī)繞組和電機(jī)外殼之間發(fā)生絕緣擊穿所致，也有可能由于傳輸電纜破損接地。
以上三種故障都可以稱為短路故障，但短路回路阻抗不同。如果逆變器輸出電纜較長且在電纜的末端發(fā)生短路，那短路阻抗相對(duì)很大，這種短路和過流可能沒有太大區(qū)別，也可以通過輸出電流傳感器進(jìn)行短路保護(hù)。
需要說明的是IGBT發(fā)生橋臂直通短路故障的幾率相對(duì)較小。因此，在有些低成本應(yīng)用中，IGBT驅(qū)動(dòng)電路并沒有集成短路保護(hù)，只有過流保護(hù)。這時(shí)如果負(fù)載側(cè)發(fā)生短路，器件是否能夠被保住，主要取決于短路回路阻抗的大小以及電流傳感器的響應(yīng)速度。
03 IGBT短路分類
通過上面分析，大家應(yīng)該知道過流和短路的區(qū)別了，下面我們從IGBT視角分析幾種常見的短路故障類型。
圖2 IGBT短路故障類型
① IGBT開通瞬態(tài)發(fā)生的短路行為（SC 1）：IGBT開通（門極電壓由負(fù)壓轉(zhuǎn)為正壓的過程中）導(dǎo)致的短路故障，也就是IGBT在開通之前，系統(tǒng)沒有發(fā)生短路故障。
② IGBT通態(tài)過程發(fā)生的短路行為（SC 2）：IGBT在導(dǎo)通過程中（門極保持正壓開通），且正向?qū)娏鲿r(shí)，由于外部原因?qū)е碌钠骷娏魍蝗辉龃笮袨椤?/span>
③ IGBT通態(tài)過程發(fā)生的短路行為（SC 3），IGBT在導(dǎo)通過程中（門極保持正壓開通），且內(nèi)部續(xù)流二極管正向?qū)娏鲿r(shí)，這時(shí)由于外部原因?qū)е碌钠骷娏魍蝗辉龃笮袨椤?/span>
04 短路故障 SC 1
IGBT開通即進(jìn)入短路狀態(tài)，可以用圖3所示雙脈沖測試電路進(jìn)行分析。通過改變短路電感Lsc（幾十個(gè)nH以內(nèi)）的大小就可以分析下管IGBT的開通短路行為特性。SC 1 也是IGBT最為常見的短路故障，根據(jù)退飽和時(shí)間的長短（取決于短路回路雜感），可以進(jìn)一步分為一類短路和二類短路。
圖3 SC 1 短路測試電路
① 一類短路
IGBT發(fā)生一類短路時(shí)的典型波形如圖4所示，IGBT開通瞬間就進(jìn)入退飽和狀態(tài)（還沒來得及進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)）。一類短路故障回路的電感量一般在幾十個(gè)nH，這種情況一般出現(xiàn)在橋臂直通狀態(tài)。
一類短路故障實(shí)驗(yàn)，并不太好做，因?yàn)橥獠控?fù)載電感很難控制在幾十nH，這個(gè)時(shí)候可以用寬導(dǎo)線將S1的CE短接，也可以讓S1保持常開狀態(tài)，當(dāng)然也可以S1反接（取決于DIODE正向?qū)ㄌ匦?/span>），目的都是要控制短路回路的雜感盡可能地小。
圖4 一類短路測試波形
② 二類短路
IGBT發(fā)生二類短路時(shí)的波形如圖5所示，IGBT開通后首先進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，然后再發(fā)生退飽和行為。主要原因是回路的電感量稍大（一般為百nH以上），電流爬升的速度慢了一些（比一類短路慢，但實(shí)際還是很快）。
圖5 二類短路測試波形
③ 討論
兩種短路都有一個(gè)共同點(diǎn)：IGBT都會(huì)出現(xiàn)“退飽和現(xiàn)象”，一旦IGBT退出飽和區(qū)，它的損耗會(huì)成百倍地上升，那么允許持續(xù)這種狀態(tài)的時(shí)間非?？量?，一般在10us以內(nèi)。這是需要靠IGBT門極驅(qū)動(dòng)器發(fā)現(xiàn)這一行為，并及時(shí)關(guān)掉器件。
IGBT在不同雜感情況下產(chǎn)生退飽和行為的波形如圖6所示。為了精確區(qū)分兩類短路故障（好像也沒啥意義），我們將IGBT完全開通之后發(fā)生的退飽和行為定義為二類短路故障，在此之前發(fā)生的退飽和行為定義為一類短路故障。
圖6 IGBT退飽和行為與雜感關(guān)系[1]
05 短路故障SC 2
IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)下發(fā)生的短路故障可以用圖7電路進(jìn)行描述，在下管IGBT導(dǎo)通過程中，給上管IGBT一個(gè)開通脈沖。為了更明顯地觀察到下管IGBT的退飽和行為，一般要求上管IGBT的門極開通電壓要大于15V，小伙伴們可以考慮一下為什么。
圖7 SC 2 短路測試電路
SC 2短路故障波形如圖8所示。一旦發(fā)生短路，IGBT電流急速上升，di/dt上升率由母線電壓和回路的寄生電感決定。第1階段IGBT開始出現(xiàn)欠飽和狀態(tài)，該過程IGBT集電極電壓略微上升，但是由于該階段米勒電容較大，因此由于dv/dt作用，會(huì)有部分電流進(jìn)入門極，導(dǎo)致門極壓Vge有所增加，Vge增加會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致集電極電流上升。
第1階段結(jié)束后，短路電流下降到靜態(tài)值，這個(gè)時(shí)候由于反向di/dt與回路雜散電感作用，會(huì)導(dǎo)致Vce出現(xiàn)正向電壓峰值Vc/scon。經(jīng)過第3階段后，IGBT被關(guān)斷，這個(gè)時(shí)候驅(qū)動(dòng)電路的軟關(guān)斷或有源鉗位功能會(huì)起作用，將IGBT的關(guān)斷尖峰限制在安全范圍內(nèi)。
圖8 SC 2 故障測試波形[2]
需要注意的是，SC 2相比SC 1要求的條件更加苛刻，雖然驅(qū)動(dòng)電路能夠限制關(guān)斷電壓Vc/scoff，但是不能限制Vc/scon，Vc/scon有可能超出器件的額定電壓[2]，因?yàn)榈诙A段的di/dt是不受控的。好在IGBT實(shí)際應(yīng)用中門極電壓都一致，圖7所示電路在發(fā)生短路時(shí)，兩個(gè)器件有可能都會(huì)發(fā)生退飽和，這個(gè)時(shí)候下管IGBT 的Vc/scon應(yīng)該能控制在安全范圍內(nèi)。
參考文獻(xiàn)[1]和[3]也分別給出了SC 2故障波形，如圖9和10所示：
圖9 SC 2 故障測試波形[1]
圖10 SC 2 故障測試波形[3]
通過圖9和圖10可以看出，在di/dt上升過程中，門極電壓出現(xiàn)負(fù)值，與圖8門極電壓正好相反，具體原因論文中也沒有解釋太清楚，從di/dt與模塊內(nèi)部雜感（芯片發(fā)射極和功率發(fā)射極）的角度理解，這個(gè)電壓也應(yīng)該增加啊，知道原因的小伙伴請(qǐng)賜教。
06 短路故障 SC 3
SC 3故障是指IGBT保持開通狀態(tài)且發(fā)生短路的上一時(shí)刻時(shí)二極管在導(dǎo)通電流，此時(shí)如果直接開通上管，下管IGBT發(fā)生的短路行為。SC 3可以用圖11所示電路進(jìn)行模擬。
圖11 SC 3 短路測試電路
SC 3短路波形如圖12所示，當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，IGBT被迫導(dǎo)通，類似于二極管的正向恢復(fù)過程，IGBT也存在正向恢復(fù)，主要是因?yàn)殡p極性功率半導(dǎo)體器件的電導(dǎo)調(diào)制需要一定時(shí)間。這個(gè)正向恢復(fù)峰值電壓主要取決于di/dt速度，在寬基區(qū)高電壓IGBT上可高達(dá)幾百伏(模塊內(nèi)部雜感和di/dt作用也有一定貢獻(xiàn))，正向峰值后面的波形和SC 2分析基本一致。
圖12 SC 3 故障測試波形[2]
可想而知，既然IGBT存在正向電壓，那并聯(lián)的二極管也會(huì)存在反向恢復(fù)過程，因此圖12中的ISC既包含了IGBT的正向?qū)娏饕舶瞬⒙?lián)二極管的反向恢復(fù)電流。
參考文獻(xiàn)[1]也給出了SC 3短路測試波形，如圖13所示，在di/dt上升過程中Vge同樣也出現(xiàn)了負(fù)電壓，具體原因未知。可能有人也會(huì)問為什么圖13中的IC和圖12中的不太一樣，這個(gè)可能跟模塊有關(guān)系，老耿也沒條件測試，大家要是感興趣可以自己測測看。
圖13 SC 3 故障測試波形[1]
有些小伙伴可能會(huì)比較好奇內(nèi)部續(xù)流二級(jí)管的電流？因?yàn)镮GBT芯片和DIODE芯片都被封在了模塊內(nèi)部，很難測量。參考文獻(xiàn)[1]通過特殊方法測得內(nèi)部二極管的電流以及反向恢復(fù)功率如圖14所示，可以看到二極管會(huì)有一個(gè)反向恢復(fù)損耗的峰值，這個(gè)值如果超過SOA也可能會(huì)導(dǎo)致器件失效。
圖14 SC 3 IGBT內(nèi)部續(xù)流二極管短路波形[1]
07 總結(jié)
① 本文介紹了IGBT應(yīng)用中常見的3種短路故障SC 1、SC 2和SC 3，其中SC 1又可以進(jìn)一步分為一類短路故障和二類短路故障。
② 對(duì)于SC 3短路故障，IGBT正向打開，如果內(nèi)部續(xù)流二極管導(dǎo)通電流，這個(gè)時(shí)候加反向電壓，內(nèi)部續(xù)流二極管也會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)過程。這個(gè)問題在三電平中應(yīng)用中存在過爭議，主要是針對(duì)內(nèi)管IGBT的二極管是否存在反向恢復(fù)過程，在這里應(yīng)該能得到答案了。
③ SC 2和SC 3的區(qū)別是在發(fā)生短路之前一個(gè)是IGBT導(dǎo)通電流，一個(gè)是二極管導(dǎo)通電流，所以SC 2故障IGBT不會(huì)產(chǎn)生正向恢復(fù)（IGBT基區(qū)已經(jīng)被電導(dǎo)調(diào)制）。
④ 對(duì)于SC 2和SC 3短路，三篇參考文獻(xiàn)波形有所不同，對(duì)于SC 2中的Vge為什么會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓老耿也不太清楚，SC 3中的總電流也有所不同，感興趣的小伙伴可以聯(lián)系老耿，一塊交流討論。
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參考文獻(xiàn)：
[1] Application Note 5SYA 2095-1: IGBT short circuit safe operating area (SOA) capability and testing.
[2] Josef Lutz. Semiconductor Power Device: Physics, Characteristics, Reliability.
[3] Jan Fuhrmann. Short-circuit behavior of high-voltage IGBTs[C]. IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.