开通短路是指负载短路发生在igbt开通过程中，igbt在t1时刻开始开通，ic迅速升高！dic/dt由门极驱动电路的特性和igbt的跨导决定。vce先下降，很短时间后重新开始上升，稳态时，vce略低于igbt断态电压——直流侧电压vdc。
通态短路是指在igbt已经开通进入稳定导通状态之后，负载发生短路。短路发生后，ic上升，dic/dt由短路阻抗和直流侧电压vdc决定。当ic升高至由门极电压vge和igbt跨导所决定的稳态最大电流后，igbt将退出饱和区，vce开始升高。vce的升高将通过米勒电容cgc耦合一个电流对igbt门极进行充电，从而使得vge升高。vge的升高将使得ic继续增大，从而使得ic表现出很大的过冲，这将导致igbt擎住现象发生甚至毁坏。
可以发现，在短路过程中，vce出现两次过冲。第一次过冲是因为igbt自身的限流作用，第二次是因为人为的igbt关断指令。通常，第二次电压过冲是很高的，如果没有进行妥善的处理，可能造成igbt因为vce过电压而损坏。本文主要针对解决此问题，从门极驱动器的角度，展示了一种解决方法，保护igbt免于由于此类故障损坏。
igbt关断过电压是存储在主回路分布电感中的能量重新分配的结果，无论何时，只要流经igbt、母排、直流侧电容的电流发生换向，关断过电压都将出现。
其中，lq包括了母排中的电感，直流侧电容中的等效串联电感以及igbt封装中的电感。vdfy表示反并联二极管的正向恢复电压，通常为10到50v［3］。
4 短路时关断过电压的抑制方法
4.1 传统保护方法
传统igbt驱动器的控制框图如图3所示。正常运行时，igbt经rg_on开通，经rg_off关断。当短路或过流故障发生时，为了限制关断过电压，igbt经阻值较大的电阻rg_fault关断。这将使vge缓慢下降，从而消除显著的关断过电压。然而，这是一种开环的控制方法，无法完全保证igbt在任何情况下都能够安全的关断。同时，任何短路检测方法都需要一定的检测时间，如果igbt关断信号在短路故障检测出之前使能，igbt将经rg_off关断，这样一来，igbt损坏将不可避免。
4.2 有源电压箝位技术
对于传统驱动器中存在的问题，本文中使用一种被称为“有源电压箝位技术”的方法［3］，设计了一种闭环的保护驱动电路，
为瞬态抑制二极管，瞬态抑制二极管为一种瞬态冲击电压保护器件，反应时间可以达到ns级。相比压敏电阻，其反应速度快，然而瞬态容量和稳态容量都远小于压敏电阻。
在检测到短路故障之后，igbt经rg_fault关断，当vce升高至瞬态抑制二极管的击穿电压时，电流通过瞬态抑制二极管向igbt门极充电，提升igbt的门极电压vge，随着vce的继续升高，流过瞬态抑制二极管的电流将增大，从而动态的改变dic/dt，实现了关于vce的闭环保护。
5 实验结果
验证性实验使用一只infineon公司的半桥igbt模块ff450r17me3作为功率开关，9只低感薄膜电容——每只225μf/1200v——组成直流侧电容，功率开关与直流侧电容通过基于印刷电路板的叠形母排连接，以保证较低的主回路分布电感。ff450r17me3为采用infineon公司第三代igbt芯片技术，具有更低的导通压降，更快的开关速度，同时，采用了新的econodual封装模式，保证了igbt封装内部更低的分布电感。
驱动板采用infineon的1700v igbt驱动器2ed300c17 作为核心器件，提供良好的隔离和两路隔离的正负30a的峰值驱动电流能力，以及过流保护、欠压保护等。通过实时检测导通时的vce电压，能够快速判定短路故障，及时控制门极电平，实现igbt的软关断。其故障状态下的软关断功能和有源电压箝位功能共同作用，有效地抑制了在故障状态下关断igbt时产生的高di/dt，降低了igbt两端的关断过电压，保证在最严重的的短路下实现安全有效的保护。
在vdc=1200v下进行了短路试验，试验波形如图6所示。可见，在关断开通短路电流和通态短路电流时，vcemax被可靠地箝位在1350v，小于vces（1700v），使igbt工作于安全工作区间内，有效地保护了igbt，所采用的有源电压箝位技术达到了预期的效果。
6 结束语
本文针对高压大容量igbt的短路故障，分析了igbt的短路特性，基于已有的igbt驱动器和有源电压箝位技术，设计了一种闭环控制igbt关断过电压的驱动电路。通过实验证明，这种电路可以提高igbt短路保护的可靠性。
本文关键字：风力发电 电工技术，电工技术 - 电工技术
上一篇：光伏发电系统中逆变器的研究与应用
