IGBT是一种结合了电力场效应管和电力晶体管导通、关断机制优点的大功率开关器件。相比于其他大功率开关器件，IGBT具有小驱动功率、快速开关速度、无二次击穿效应且易于并联的优势。因此，大功率IGBT广泛应用于各工业领域和新能源发电系统。
随着变流器容量和电压等级的增加，变流器的可靠性成为一个不可忽视的关键问题。作为变流器核心部件之一，IGBT的可靠性至关重要。而短路保护是评估IGBT可靠性的一个重要因素。
在进行IGBT短路保护实验时，由于IGBT特性和内部寄生电感的影响，当IGBT进行关断过程时，电流的变化率(di/dt)非常大。因此，必须采取措施来限制短路电流的上升速率，延缓IGBT的关断时间。
以风电变流器为例，我们将讨论IGBT在短路情况下的工作状态以及短路保护电路的原理。
当IGBT发生短路时，应充分考虑其当前的工作状态。如果IGBT仍处于导通状态，由于直流回路中的电感较小，短路电流会非常大。这在电力电子应用中是不允许的。因此，需要通过放大区来限制IGBT在短路状态下的电流。
短路电路中的电感量决定了IGBT的短路电流和功耗。如果电感量较小，关断过程中的电流变化率di/dt将非常大，导致IGBT迅速进入退饱和阶段，并使结温上升。反之，如果电感量较大，则关断过程中的短路电流会不断上升，但是IGBT端的电压、功耗和结温上升并不明显。然而，较大的电感量会导致关断电压尖峰非常高，必须控制在IGBT的阻断电压以下，否则会导致IGBT失效。
在IGBT短路时，快速退饱和引起的电压变化率dv/dt会导致门极电压增加，从而产生较大的短路电流，增加功耗甚至损坏IGBT。同时，IGBT在短路情况下的集射极电压uce也会迅速上升。
短路保护的原理
SCSOA和短路维持时间
IGBT的短路保护旨在在IGBT发生短路时，在其损坏前及时将其关断，并将短路电流和保护关断时的I-U运行轨迹限制在IGBT的短路安全工作区域(SCSOA)内。短路时间的增加会导致SCSOA范围减小，同时SCSOA还与外部电路布线的电感和制造商的工艺结构相关。由于存在杂散电感，当短路电流较大时，IGBT的I-U运行轨迹容易超出SCSOA范围，从而导致IGBT失效。
退饱和检测技术广泛用于监测IGBT的短路情况。采用退饱和保护驱动时，IGBT的短路维持时间为tw=10us。在此期间，IGBT保护电路应能够快速、准确地检测到短路故障，并及时关断IGBT，以实现对IGBT的保护。
短路电流
当IGBT发生短路时，集射极电压(uce)缓慢上升至母线电压，较大的跨导(gfs)增加了短路电流(Isc)（在线性区时有公式：Ic=(Vge-Vth)*gfs），并伴有明显的过冲。短路维持时间越长，IGBT的开关和传导损耗就越大。因此，在这种情况下，门极驱动必须快速关断具有较低短路维持时间的IGBT器件。唯一的方法是降低门极-发射极电压(Vge)，使其低于阈值电压。在有源钳位的作用下，集射极电压(uce)快速达到钳位电压，从而抑制故障时的短路电流(Isc)。过大的Isc可能引起IGBT器件出现锁定效应或过电压击穿。当Isc超过IGBT内部寄生晶闸管结构的擎住电流时，会发生锁定效应，此时IGBT将失去门极的关断能力。因此，限制Isc的幅值可以有效预防锁定效应的发生。同时，在电路的杂散电感作用下，较大的di/dt会产生很高的过电压，可能导致IGBT击穿。通过缓慢降低Vge可以避免这种情况的发生。
短路保护电路分析
下图显示了短路保护电路的基本框架。
短路保护电路
该电路通过监测集射极-发射极电压(uce)来检测IGBT的短路和过电流情况。当流经IGBT的电流超过一定阈值时，通态电压将急剧上升。在发生短路时，利用uce监视使能逻辑进行保护。当IGBT导通时，通过检测uce，并在预设时间内超过设定值时，会产生一个故障信号。内部软件平滑地关断IGBT，以实现保护。电路中的电压设定值和延迟时间可以通过外部RC回路中的电阻和电容进行设置。
在发生短路时，IGBT的集电极退饱和，图中的a点电位上升。当uce超过设定的门槛电压时，故障检测点被视为低电平，输出故障信号。经过触发逻辑电路判断后，会闭锁触发脉冲，从而使得传输到门极驱动放大电路的驱动信号也变为低电平。通过软关断电阻的作用，IGBT的Vge缓慢下降，抑制了电压过冲。
在正常情况下，电压门槛值为高阻抗状态，比较器的输出处于高电平。
短路保护电路中还包含有源钳位功能，即当发生短路时，uce迅速增大并产生非常高的过电压。然而，在钳位二极管的作用下，它稳定在钳位二极管的电压上，从而抑制了uce的过冲，防止IGBT击穿。有源钳位通常由3个钳位瞬态抑制二极管和一个稳压管组成（具体配置需根据使用的IGBT规格进行调整）。
结论
通常认为IGBT器件是电压控制器件，只需要提供一定电平幅度的激励电压，而不需要吸取激励电流。但实际上，IGBT的栅射极之间存在一个结电容，开通和截止过程实质上是对该结电容进行充放电。这个充放电过程导致产生一定峰值电流。在变频器输出电路中，IGBT工作在数千赫兹的脉冲下，其栅极偏压也是数千赫兹的脉冲电压。由于电容具有通交隔直的特性，相对于数十千赫兹的脉冲电容而言，电容的容抗较小，因此会产生较大的充放电电流。通过上述分析可知：IGBT驱动应采用电流或功率驱动器件，而不是纯粹的电压控制器件。驱动电路的输出级也是一个功率放大电路，因为IGBT的驱动消耗一定功率，需要输出一定电流。对于功率较大的IGBT模块，需要使用功率较大的电路来驱动。
关键词：IGBT
