IGBT 驱动电路过流保护：分类与检测方法的剖析

在电力电子领域，IGBT（绝缘栅双极型晶体管）作为关键的功率半导体器件，广泛应用于各类电力转换和控制设备中。IGBT 驱动电路的过流保护对于保障设备的稳定运行和器件的安全至关重要。下面为您详细介绍 IGBT 驱动电路过流保护的分类及其检测方法。

IGBT 驱动电路过流保护的分类

IGBT 的过流保护电路主要可分为两类：一类是低倍数（1.2 - 1.5 倍）的过载保护；另一类是高倍数（可达 8 - 10 倍）的短路保护。

过载保护

在正常运行中，IGBT 过流时的开关和通态特性与额定条件下并无显著差异。然而，较大的负载电流会使 IGBT 内部产生较高的损耗。为避免超过最大允许结温，IGBT 的过载范围需要严格限制，不仅过载时结温的绝对值，过载时的温度变化范围也是重要的限制因素。针对过载保护，无需快速响应，可采用集中式保护方式。即检测输入端或直流环节的总电流，当该电流超过设定值时，比较器翻转，封锁所有 IGBT 驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护一旦动作，需通过复位才能恢复正常工作。

短路保护

IGBT 承受短路电流的时间十分短暂，且承受时间与 IGBT 的导通饱和压降密切相关，随着饱和导通压降的增加而延长。例如，饱和压降小于 2V 的 IGBT 允许承受的短路时间小于 5μs，饱和压降为 3V 的 IGBT 允许承受的短路时间可达 15μs，4 - 5V 时则可达 30μs 以上。这是因为随着饱和导通压降的降低，IGBT 的阻抗减小，短路电流增大，短路时的功耗随电流的平方增大，导致承受短路的时间迅速缩短。

原则上，IGBT 属于安全短路器件，在一定外部条件下可承受短路电流并被关断而不损坏。考察短路情况时，需区分以下两种情形。

(1).短路 Ⅰ：指 IGBT 开通于已经短路的负载回路，正常情况下的直流母线电压全部降落在 IGBT 上。短路电流的上升速度由驱动参数（驱动电压、栅极电阻）决定。由于短路回路中寄生电感的存在，电流变化会产生电压降，表现为集电极 - 发射极电压特性上的电压陡降。稳态短路电流值由 IGBT 的输出特性决定，典型值最高可达额定电流的 8 - 10 倍。

(2).短路 Ⅱ：在此情况下，IGBT 在短路发生前已处于导通状态。与短路 Ⅰ 相比，IGBT 所受冲击更大。一旦短路发生，集电极电流迅速上升，上升速度由直流母线电压 Udc 和短路回路中的电感决定。在时间段 1 内，IGBT 脱离饱和区。集电极 - 发射极电压的快速变化会通过栅极 - 集电极电容产生位移电流，进而使栅极 - 发射极电压升高，出现动态的短路峰值电流 IC/SCM。在 IGBT 完全脱离饱和区后，短路电流趋于稳态值（时间段 2）。期间，回路的寄生电感将感应出电压，表现为 IGBT 过电压。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 LK 将在 IGBT 上再次感应出过电压（时间段 4）。IGBT 在短路过程中所感应的过电压可能是正常运行的数倍。为确保 IGBT 安全运行，必须满足以下重要临界条件：短路必须在不超过 10μs 的时间内被检测并关闭 IGBT；两次短路的时间间隔最少为 1s；在 IGBT 的总运行时间内，其短路次数不得大于 1000 次。

IGBT 驱动电路过流保护检测电路

用电阻或电流互感器构成的检测过流电路

用电阻或电流互感器初级与 IGBT 串联，可检测 IGBT 集电极的电流。当出现过流情况时，控制单元断开 IGBT 的输入，实现对 IGBT 的保护。

检测 IGBT 的 UCE (sat) 电压的过流检测电路

因 UCE (sat) = ICRCE (sat)，当 Ic 增大时，UCE (sat) 也随之增大。若栅极电压为高电平，而 UCE 较高，则表明有过流情况发生。此时，与门输出高电平，将过流信号输出，控制单元断开 IGBT 的输入，达到保护 IGBT 的目的。

检测负载电流的电路

检测负载电流的 IGBT 驱动电路与用电阻或电流互感器检测的方法基本相同，但前者属于间接法。当负载短路或负载电流增大时，可能导致前级 IGBT 的集电极电流增大，引发 IGBT 损坏。由负载处（或 IGBT 的后一级电路）检测到异常后，控制单元切断 IGBT 的输入，实现保护。

由 IGBT 构成的逆变器中的故障电流可在电路的不同节点检测，对检测到的故障电流的反应也各不相同。若故障电流在 IGBT 功率模块内部被检测到，并由模块内的驱动器直接关断，IGBT 的总响应时间可能仅数十纳秒。若在 IGBT 功率模块之外检测故障电流，故障电流信号需先送至逆变器的控制电路，再由控制单元触发故障反应程序，此过程被称为慢保护，甚至可由逆变器的控制调节系统处理（如系统对过载的反应），会延长 IGBT 的总响应时间。

如上图所示为一个电压型逆变器可能检测到故障电流的测试点示意图。过电流可在①～⑦点检测；桥臂直通短路可在①～④和⑥、⑦点检测；负载短路可在①～⑦点检测；对地短路可在①、③、⑤、⑥点检测，或通过计算①与②点电流之差获得。原则上，IGBT 短路保护要求具有快速性，以在驱动电路的输出端实现直接控制，因为短路发生后 IGBT 功率模块必须在 10μs 之内关闭。为此，故障电流可在检测点③、④、⑥和⑦处检测。

在①～⑤点测量故障电流可通过测量分流器或测量用电流互感器实现。采用测量用分流器检测过电流方法简单，但要求使用低电阻（10 ~ 100mΩ）、低电感的功率分流器，测量信号对干扰高度敏感，且不带电位隔离。采用电流互感器检测过电流则相对复杂，但测量信号不易受干扰，测量值已被隔离。

在测试点⑥和⑦检测故障电流可直接在 IGBT 的端子处进行。保护方法可以是检测（间接测量）UCE (sat)，或者是镜像电流检测。镜像电流检测采用一个传感器检测一小部分 IGBT 单元电流来反映主电流（直接测量）。

如上图所示，在一个镜像 IGBT 中，一小部分 IGBT 单元和一个用于检测的发射极电阻相结合，并联接于主 IGBT 的电流臂上。一旦导通的集电极电流通过测量电阻，便可获得电流检测值。在 Rsense = 0 时，两个发射极之间的电流比等于理想值，为镜像 IGBT 单元数与总单元数之比。若 Rsense 增大，测量电路中导通的电流将因测量信号的反馈而减小。

因此，电阻 Rsense 应控制在 1 ~ 5Ω 的范围内，以获得足够精确的集电极电流测量结果。若用于关断的电流门限值仅略大于 IGBT 功率模块的额定电流，在 IGBT 开通期间，由于反向续流二极管反向恢复电流峰值的作用，电流检测必须关闭（在硬开关电路中）。当检测电阻 Rsense 趋于无限大时，其测量电压等于集电极 - 发射极饱和电压，此时镜像电流检测转化为 UCE (sat) 检测。

通过深入了解 IGBT 驱动电路过流保护的分类和检测方法，能够更好地保障 IGBT 的安全稳定运行，提高电力电子设备的可靠性和性能。