1 引言
在现代电气传动系统的整流和逆变中，igbt以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点被广泛应用，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。跟其他半导体器件一样，igbt的热容量小，能承受的过电流时间短，因此必须设置合理的过电流保护措施，一般是采取设置快熔的方法来实现。另外，为防止事故扩大，也需要使用快熔进行切断。在使用时，快熔与被保护的功率半导体串联，当过载和短路电流通过线路时，快熔中的熔体就会发热而使熔体迅速熔断，从而切断电路，起到保护功率半导体、防止事故扩大的作用。
本文以某厂轧机主传动系统为例，分析了快熔的作用、选型原则及失效对策，并指出回路快熔选型存在的不足和改进建议。
2 igbt结构和工作原理
图1为igbt的结构图。从结构上看igbt硅片的结构与功率mosfet的结构十分相似，主要差异是igbt增加了p+基片和一个n+缓冲层(fs-场控igbt、npt-非穿通igbt没有这个部分)。基片的应用在管体的p+和n+区之间创建了一个j1结。igbt的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。igbt有3个电极：栅极g、发射极e和集电极c。
图1 igbt结构图
图2为igbt的符号、内部结构等值电路图。由图2可知igbt在电路上等价于一个mosfet驱动两个双极器件。其输入部分是一个mosfet管，图2中rdr表示mosfet的等效调制电阻。输出部分为一个pnp三极管t1，此外还有一个内部寄生的三极管t2(npn管)，在npn晶体管t2的基极与发射极之间有一个体区电阻rbr[1]。
图2 igbt符号及等值电路图
当栅极g与发射极e之间的外加电压uge=0时，mosfet管内无导电沟道，其调制电阻rdr可视为无穷大，此时集电极电流ic=0，mosfet处于断态。在栅极g与发射极e之间的外加控制电压uge，改变了mosfet管导电沟道的宽度，从而改变调制电阻rdr，这就改变了输出晶体管t1(pnp管)的基极电流，控制了igbt管的集电极电流ic。当uge足够大时(例如+15v)，t1饱和导电，igbt进入通态。一旦撤除uge，即uge=0，则mosfet从通态转入断态，t1截止，igbt器件从通态转入断态。
igbt作为开关器件，在运行时存在通态损耗、开关损耗和断态损耗，其中通态损耗在三项损耗中占主要部分，它主要取决于器件的正向饱和压降(vces)。早期的igbt因vces较大，影响了装置效率的提高。随着器件制造工艺的改进，低vces的igbt不断涌现，满足了用户对高效igbt的需求[2]。
3 擎住效应
由图2(b)电路可以看到，igbt内部的寄生三极管t2与输出三极管t1等效于一个晶闸管。内部体区电阻rbr上的电压降，作为一个正向偏压加在寄生三极管t2的基极和发射极之间。当igbt处于截止状态和处于正常稳定通态时(ic不超过允许值时)，rbr上的压降都很小，还不足以克服t2的发射极和集电极间的pn结电压，因此t2还不能产生基极电流，t2实际上并不起作用。但如果ic瞬时过大，rbr上压降大幅增加，当达到足以克服t2的发射极和集电极间的pn结电压时，将使t2导通。而一旦t2导通，即使撤除门极电压uge，igbt仍然会像晶闸管一样处于通态，使门极g失去控制作用，这种现象称为擎住效应。
当发生负载短路或上、下桥臂直通等短路故障时，从电源端看，开关器件成了唯一的限流器件，电源电压几乎全部加在了开关器件的两端。此时vces大的器件因限流阻抗大，短路电流较小，所产生的热损耗按电流的平方减小，能承受较长的短路时间；而vces小的器件，因短路电流大，能承受的短路时间迅速减小。vces小于2v的igbt允许承受的短路时间小于5μs，而vces为3v的igbt承受的短路时间可达15μs，当vces增加到4～5v时可达30μs以上。
尽管在igbt的设计制造时已尽可能地降低体区电阻rbr，使igbt的集电极电流在最大允许值icm时，rbr上的压降仍小于t2管的起始导电所必需的正偏压，然而但在实际工作中ic仍然有可能大大超过icm，出现擎住效应。如果外电路不能限制ic的增长，则可能损坏器件。因此igbt和晶闸管的标称电流原则完全不同，igbt的标称电流不是以器件长时工作所能通过的电流平均值(或有效值)为原则，而是按允许的瞬时最大集电极电流icm来标定，icm还受器件的耗散功率和结温的影响，其值是在规定的结温和标准的散热条件下给出的，图3所示的是igbt在不同结温下的安全工作区。
图3 igbt在不同结温下的安全工作区
附表给出了晶闸管和ig bt过电流和标称电流参数的能力对比。
由附表可见，igbt承受过流能力较比晶闸管相差甚远，为了有效保护igbt的过流损坏，必须要使检测和保护电路具有快速性，响应时间应该根据过流程度在4～10μs。
4 快熔保护原理及局限
快速熔断器在整流桥主电路的保护主要为短路保护及过电流保护。快速熔断器主要由瓷壳、导电板、熔体、石英砂、消弧剂、指示器等部分组成。灭弧介质采用专业的石英砂填充，并用含硅酸钠盐(或钾盐)的消弧固化剂进行固化，从四周把熔体包围起来。当熔体通过电流时产生的热量绝大部分通过石英砂传到瓷瓶四周，与周围的空气进行热交换，建立动态平衡，当短路时熔断器分断，消弧剂在电弧的高温下释放出来的钠离子能限制电弧体积膨胀和弧柱等离子体的形成，使石英砂灭弧能力大为提高，在进行灭弧同时迅速提高断口处的绝缘电阻。熔体一般由银片或镀银的铜片构成，形状为矩形片状狭颈，形状大致如图4所示。
图4 熔体形状
快熔的主要参数有：额定电流，额定电压，熔化热能值，分断能力[3]。
(1)额定电流：正常条件下，熔断器长期维持正常工作的最大电流。
(2)额定电压：熔断器断开瞬间，能安全承受的最大电压。
(3)分断能力：当电路中出现很大的过载电流(如强短路)时，熔断器能安全切断(分断)电路的最大电流。它是熔断器最重要的安全指标。安全分断是指在分断电路中不发生喷溅、燃烧、爆炸等危及周围元、部件以至人身安全的现象。
(4)熔化热能值(i2t)：使熔断器的熔断体熔化、部份汽化的切断电流所需要的公称能量值，简单说就是使熔断器熔断所需的最小热能值。
总量i2t=熔化i2t+飞弧i2t
其中：熔化i2t(相当于iec标准中的预飞弧i2t)，指从熔体熔化到飞弧开始瞬间所需要的能量；
飞弧i2t是指飞弧开始瞬间到飞弧最终熄灭所需要的能量。
本文所述的某厂轧机主传动所用快熔为ferraz shawmut公司生产，图5是其提供的快熔熔断时间与短路电路的关系图，选用的是500a，2000v快熔。
由图5可知，当短路电路达到10000a时其熔断时间大约在500μs，而igbt允许的短路时间仅为几至几十微秒，熔断器的熔断时间远远大于igbt短路允许时间，因此严格上说快熔对igbt并不能起到保护作用，其主要作用还是防止事故进一步扩大。根据西门子快熔提供的资料，其熔断器能保护的半导体主要是指晶闸管、gto和二极管，同时适用于线路保护(过载和短路保护)。目前大容量高速快熔还难于精确制造，精度也差、更换成本很高。因此abb公司在acs6000系统中取消了快熔，而采用无快熔全触发保护方式。
对于igbt过电流保护使用电子式保护时，可采用集射极电压识别的方法。在正常工作时，igbt的通态饱和电压降uon与集电极电流ic呈近似线性变化的关系，识别uon的大小即可判断igbt集电极电流的大小。igbt的结温升高后，在大电流情况下通态饱和压降增加，这种特性有利于过电流识别保护[4]。具体保护方法在此不详述。
5 轧机主回路快熔选型原则
目前，在传动系统设计计算中，快熔的选择主要按保护功率开关元件来考虑，要求快熔在所保护的元件热击穿前断开电路，选用原则如下：
(1)一般用途传动系统快熔的额定电流irn应满足的条件
i′rn≤irn≤it(rms)
其中：快熔的计算额定电流i′rn为：
i′rn=ipkbxkrx/[kc(ηbx－x)]
式中：ip为快熔臂平均电流；kbx为波形系数；krx为快熔选择系数(1.1～1.25)；kc为均流系数；ηbx为每臂并联元件数；x为快熔损坏数(1～2只)。
功率元件的电流均方根值it(rms)为：
it(rms)=1.57it(av)
其中：it(av)是功率元件通态平均电流。
在实际应用中大型轧钢厂的负荷都具有冲击性，所以还要对快熔计算额定电流i′rn考虑一定余量，一般取0.73的系数。所以，轧机主传动系统快熔额定电流irn的选型原则应该是：
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