圖1 工業(yè)電機驅動中的典型短路事件

圖2 IGBT過流保護技術示例

去飽和檢測利用IGBT本身作為電流測量元件。原理圖中的二極管確保IGBT集電極-發(fā)射極電壓在導通期間僅受到檢測電路的監(jiān)控；正常工作時，集電極-發(fā)射極電壓非常低(典型值為1 V至4 V)。然而，如果發(fā)生短路事件，IGBT集電極電流上升到驅動IGBT退出飽和區(qū)并進入線性工作區(qū)的電平。這導致集電極-發(fā)射極電壓快速升高。上述正常電壓電平可用來表示存在短路，而去飽和跳變閾值電平通常在7 V至9 V區(qū)域內(nèi)。重要的是，去飽和還可表示柵極-發(fā)射極電壓過低，且IGBT未完全驅動至飽和區(qū)。進行去飽和檢測部署時需仔細，以防誤觸發(fā)。這尤其可能發(fā)生在IGBT尚未完全進入飽和狀態(tài)時，從IGBT關斷狀態(tài)轉換到IGBT導通狀態(tài)期間。消隱時間通常在開啟信號和去飽和檢測激活時刻之間，以避免誤檢。通常還會加入電流源充電電容或RC濾波器，以便在檢測機制中產(chǎn)生短暫的時間常數(shù)，過濾噪聲拾取導致的濾波器雜散跳變。選擇這些濾波器元件時，需在噪聲抗擾度和IGBT短路耐受時間內(nèi)作出反應這兩者之間進行權衡。

檢測到IGBT過流后，進一步的挑戰(zhàn)便是關閉處于不正常高電流電平狀態(tài)的IGBT。正常工作條件下，柵極驅動器設計為能夠盡可能快速地關閉IGBT，以便最大程度降低開關損耗。這是通過較低的驅動器阻抗和柵極驅動電阻來實現(xiàn)的。如果針對過流條件施加同樣的柵極關斷速率，則集電極-發(fā)射極的di/dt將會大很多，因為在較短的時間內(nèi)電流變化較大。由于線焊和PCB走線雜散電感導致的集電極-發(fā)射極電路寄生電感可能會使較大的過壓電平瞬間到達IGBT(因為VLSTRAY = LSTRAY × di/dt)。因此，在去飽和事件發(fā)生期間，關斷IGBT時，提供阻抗較高的關斷路徑很重要，這樣可以降低di/dt以及一切具有潛在破壞性的過壓電平。

除了系統(tǒng)故障導致的短路，瞬時逆變器直通同樣會發(fā)生在正常工作條件下。此時，IGBT導通要求IGBT驅動至飽和區(qū)域，在該區(qū)域中導通損耗最低。這通常意味著導通狀態(tài)時的柵極-發(fā)射極電壓大于12 V。IGBT關斷要求IGBT驅動至工作截止區(qū)域，以便在高端IGBT導通時成功阻隔兩端的反向高電壓。原則上講，可以通過使IGBT柵極-發(fā)射極電壓下降至0 V實現(xiàn)該目標。但是，必須考慮逆變器臂上低端晶體管導通時的副作用。

導通時開關節(jié)點電壓的快速變化導致容性感應電流流過低端IGBT寄生密勒柵極-集電極電容(圖3中的CGC)。該電流流過低端柵極驅動器(圖3中的ZDRIVER)關斷阻抗，在低端IGBT柵極發(fā)射極端創(chuàng)造出一個瞬變電壓增加，如圖所示。如果該電壓上升至IGBT閾值電壓VTH以上，則會導致低端IGBT的短暫導通，從而形成瞬態(tài)逆變器臂直通——因為兩個IGBT都短暫導通。這一般不會破壞IGBT，但卻能增加功耗，影響可靠性。

圖3 密勒感應逆變器直通

一般而言，有兩種方法可以解決逆變器IGBT的感應導通問題——使用雙極性電源或額外的米勒箝位。在柵極驅動器隔離端接受雙極性電源的能力為感應電壓瞬變提供了額外的裕量。例如，–7.5 V負電源軌表示需要大于8.5 V的感應電壓瞬變才能感應雜散導通。 這足以防止雜散導通。另一種方法是在完成關斷轉換后的一段時間內(nèi)降低柵極驅動器電路的關斷阻抗。這稱為米勒箝位電路。容性電流現(xiàn)在流經(jīng)較低阻抗的電路，隨后降低電壓瞬變的幅度。針對導通與關斷采用非對稱柵極電阻，便可為開關速率控制提供額外的靈活性。所有這些柵極驅動器功能都對整個系統(tǒng)的可靠性與效率有正面影響。