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IGBT短路保护的几点关键点总结

对IGBT短路保护进行介绍11个问题(1)正常的IGBT 波形是什么样子?(2)如果发生了短路保护,则波形是什么样子的?(3)管子开通的时候,发生短路保护,从IGBT退饱和 到 管子关断的这个10us时间是由谁决定的?(4)在做IGBT短路试验的时候,怎样样确定IGBT 被短路保护了?(5) IGBT 驱动器检测短路故障的依据是什么?(6) 短路发生时,流过漏极电流的绝对值是多大?(7) IGBT的过流保护与IGBT的短路保护如何界定?(8) 结合IGBT 的外特性曲线,说明什么是退饱和现象 ?(9)IGBT的过流保护与IGBT的短路保护各有什么特点?(10)IGBT 发生短路的时候,大约在10us 以后,控制器是需要将IGBT 关掉的,此时会不会产生过高的电压尖峰,有什么措施来防止电压尖峰损坏IGBT ?(11) IGBT的短路安全工作区如何界定的?
工具/原料
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示波器3050 高压差分探头, 罗氏线圈

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万用表 IGBT模块 信号发生器

方法/步骤
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(1)正常的IGBT 波形是什么样子?在开驱动的期间T(on) ,漏极与源极之间的电压 一直会是饱和导通的压降,这是没有发生短路保护时的波形。

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如果发生了短路保护,则波形是什么样子的?发生了一类短路保护时候的波形(电流上升的斜率很陡)

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发生二类短路保护时候的波形 (电流上升的斜率比较平缓)

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综上:无论是一类短路保护和二类短路保护,IGBT 都会发生退饱和现象,在检测到IGBT退饱和现象一直到驱动脉冲U(GE)关断的这个时刻段内,(这个时间段约为10us)IGBT 的U(CE)电压为母线电压, 漏极的电流也没有回到0 ,这个阶段的IGBT的损耗非常大。

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问题3管子开通的时候,从IGBT退饱和 到 管子关断的这个10us时间是由谁决定的?

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问题4,在做IGBT短路试验的时候,怎样样确定IGBT 被短路保护了?

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问题5  IGBT 驱动器检测短路故障的依据是什么?问题6  短路发生时,流过漏击电流的绝对值是多大?

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问题8  结合IGBT 的外特性曲线,说明什么是退饱和现象 ?答:注意下图中的左下角的图是IGBT 的datasheet 中给出的外特性曲线,通常这个图只给出额定电流两倍的曲线,电流再大的部分属于定性不定量的示意图。例如以FF600R12ME4 的 IGBT 输出特性  只给到了2倍的额定电流(1200A)如下图:

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从上面的IGBT外特性 曲线中     可以看出  IGBT 导通以后,首先进入饱和导通,当电流达到IGBT的退饱和点时( 一般是4倍的额定电流) ,IGBT 的电压迅速上升,这标志着IGBT 退出了饱和区。

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(9)IGBT的过流保护与IGBT的短路保护各有什么特点?短路分为一类和二类。这两个保护都有一个共同点,就是IGBT 会出现“退饱和”现象,当IGBT 一旦退出饱和区,它的损耗会成百倍往上升,那么允许这种状态会非常苛刻,只有10us ,靠驱动器发现这一行为并关断。IGBT过流的情况是  回路电感比较大,电流爬升很慢,IGBT不会发生“退饱和”的现象但是由于电流比正常工况高很多,在若干个开关周期后,IGBT的损耗会高,结温迅速上升,从而导致失效。过流时,IGBT的饱和压降变化很微弱,驱动器察觉不到这种变化。

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问题10:IGBT 发生短路的时候,大约在10us 以后,控制器是需要将IGBT 关掉的,此时会不会产生过高的电压尖峰,有什么措施来防止电压尖峰损坏IGBT ?

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消除这个尖峰  最有效的办法是采用 有源钳位电路, 有源钳位电路在一般情况下不工作,仅仅当发生IGBT 短路的时候,才会开始保护IGBT 不被过高的高压击穿。

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问题11 :IGBT 的短路安全工作区是如何定义的?在IGBT 的datasheet 中,(以某品牌的450A IGBT 为例) IGBT 的短路性能是定义的, 我们可以认为这个是“短路安全工作区

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定义这个数值使用的一类短路,其意义是:在母线电压为800V的时候,门极电压小于等于15  V , 结温为150度的情况下,增加一个宽度为10us的脉冲,在第10us的时候,IGBT的电流大约为1800A 并且说明,这样的测试是安全的,是可以重复的。 实际上定义这个测试背后的约束条件是在短路时IGBT芯片上的能量,在IGBT短路的时候,IGBT 会退出饱和区,所以其= 800V ,电流基本稳定在1800A(450A的四倍)在10us 内, 能量为:E=UIt=800*1800*10us=14,4J也就是说,短路时,IGBT能扛住14.4焦耳的能量。

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