當(dāng)電路發(fā)生短路故障或過流故障時(shí)，如何正確地關(guān)斷 IGBT 成為了一個(gè)關(guān)鍵問題。本文將詳細(xì)探討 IGBT 模塊三電平電路故障時(shí)的關(guān)管順序，并介紹一種利用有源鉗位功能的創(chuàng)新解決方案。

傳統(tǒng)關(guān)管順序及其原理

在 1 字形二極管鉗位三電平電路中，傳統(tǒng)的關(guān)斷 IGBT 的做法是，當(dāng)檢測到故障的驅(qū)動(dòng)器把故障信息傳遞給控制器后，控制器先把外管關(guān)斷，再關(guān)斷內(nèi)管。這種特定的關(guān)斷順序是有其原因的。

如果錯(cuò)誤地先把內(nèi)管關(guān)斷，內(nèi)管 IGBT 就會(huì)承擔(dān)整個(gè)母線電壓，這會(huì)導(dǎo)致內(nèi)管嚴(yán)重過壓而馬上損壞。而如果先關(guān)外管，外管的電壓會(huì)被鉗在半個(gè)母線電壓上，不會(huì)出現(xiàn)過壓，然后再關(guān)斷內(nèi)管，內(nèi)管就能夠安全地關(guān)斷。

從三電平電路故障時(shí)的傳統(tǒng)關(guān)管順序的時(shí)序關(guān)系來看，當(dāng)短路響應(yīng)時(shí)間過了后，驅(qū)動(dòng)器才能向控制器確認(rèn)故障，而控制器確認(rèn)故障則需要 2us 的時(shí)間。也就是說，到控制器確認(rèn)故障時(shí)，短路已經(jīng)發(fā)生了 10.5us（8.5us 短路響應(yīng)時(shí)間 + 2us 確認(rèn)時(shí)間）。需要注意的是，這個(gè)時(shí)間還是理論上的最短時(shí)間，并沒有考慮控制器的計(jì)算時(shí)間及傳輸延時(shí)。所以，三電平中的短路時(shí)間，一般都會(huì)略高于 10us。

利用有源鉗位功能的創(chuàng)新方案

利用有源鉗位功能提供的優(yōu)勢，可以忽略 1 字形三電平的傳統(tǒng)關(guān)管順序。當(dāng) IGBT 檢測到故障時(shí)，無論是內(nèi)管還是外管，都可以馬上把對應(yīng)的 IGBT 關(guān)掉，然后再向控制器報(bào)告。
如果檢測到故障的通道是內(nèi)管，會(huì)馬上給內(nèi)管 IGBT 發(fā)關(guān)斷指令，這樣會(huì)導(dǎo)致內(nèi)管 IGBT 過壓，但實(shí)際上內(nèi)管 IGBT 在這種情況下并不能被關(guān)斷，因?yàn)橛性淬Q位功能把內(nèi)管電壓鉗住，而不會(huì)出現(xiàn)過壓。為了驗(yàn)證這一創(chuàng)新性的提法，進(jìn)行了一系列驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

三電平電路中有源鉗位功能的有效性研究

以下測試將研究在錯(cuò)誤的關(guān)斷時(shí)序時(shí)，有源鉗位功能如何保護(hù)三電平電路中的 IGBT 模塊。實(shí)驗(yàn)選用了某 1 字型三電平模塊的 IGBT，其驅(qū)動(dòng)裝備了有源鉗位功能，并將有源鉗位門檻（TVS 擊穿的典型值）設(shè)為 479V（1mA，25℃），以支持 870V 的最大直流母線電壓 Vdc（每個(gè)半直流母線電壓均設(shè)為相同值以便于測量）。
實(shí)驗(yàn)將考慮三種不同的情況：兩種短路情況和一種常規(guī)開關(guān)事件，每種情況都存在 “不正確” 的關(guān)斷時(shí)序。

1. 實(shí)驗(yàn)一：在 MP 與 0 點(diǎn)間建立短路路徑
• 所有 IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，Vdc = 870V。
• 開通 S3。
• 開通 S4，短路電流迅速升高，S3 首先出現(xiàn)退飽和，Vce3 上升到 400V 左右，Ic4 穩(wěn)定在某一水平，隨后 S4 也出現(xiàn)退飽和現(xiàn)象。
• 首先主動(dòng)關(guān)斷 S3（按照傳統(tǒng)理論應(yīng)該先關(guān) S4），S3 被有源鉗位功能限制在線性區(qū)內(nèi)，且 Vce3 被鉗在 480V 左右；IC4（實(shí)際上也是 IC3）以較慢的 di/dt 下降至 0，該過程回路中的全部雜散電感中的能量被消耗在 S3 這個(gè) IGBT 的線性區(qū)內(nèi)。
• 短路電流為 0，有源鉗位自然結(jié)束。

1. 實(shí)驗(yàn)二：在 MP 與 P 之間建立短路路徑
• 所有 IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，Vdc = 550V。
• 開通 S3，開始出現(xiàn)短路電流。
• 開通 S4，Vce4 下降，D6 出現(xiàn)反向恢復(fù)并截止，S4 上出現(xiàn)短路電流，S3 出現(xiàn)退飽和，IC4 低于 IL，意味著短路回路中有一部分電路被截?cái)嗔?，而不能?D1、D2 續(xù)流，因而，Vce3 產(chǎn)生電壓尖峰，沖高到 630V 后被有源鉗位鉗到 500V 左右。

• S4 仍然在飽和導(dǎo)通區(qū)，因 IL 大于 IC4，意味著 D1、D2 在導(dǎo)通，有一部分 IL 被 D1、D2 續(xù)流。
• Vce4 開始上升，即 S4 開始退出飽和區(qū)。
• 控制器發(fā)出指令關(guān)斷 S3（故意這樣做，模擬故障狀態(tài)），可見所有物理量都沒有太大變化，這是因?yàn)橛性淬Q位電路一直有效，鉗住 Vce3，可見錯(cuò)誤的關(guān)斷順序并沒有使 S3 過壓。
• 關(guān)斷 S4，短路電流 Ic4 被切斷，Vce4 產(chǎn)生尖峰，但也被有源鉗位電路鉗住，當(dāng) Ic4 為 0，故障解除。

1. 實(shí)驗(yàn)三：錯(cuò)誤的換流順序
   • 該實(shí)驗(yàn)?zāi)M正常工作中的錯(cuò)誤換流順序。
   • 所有 IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)，Lload = 65uH，Vdc = 870V。
   • 打開 S3。
   • 打開 S4，負(fù)載電流直線上升。
   • 關(guān)斷 S3，正確的換流順序應(yīng)該是先關(guān)斷 S4，但此處故意模擬一個(gè)錯(cuò)誤，先關(guān) S3，如果沒有有源鉗位電路，負(fù)載電流會(huì)被 D1、D2 續(xù)流，S3 會(huì)承擔(dān)整個(gè)母線電壓而損壞。
   • 而此時(shí) Vce3 出現(xiàn)電壓尖峰，大約到 600V，然后被有源鉗位電路鉗到 500V 左右，負(fù)載電流仍然流過 S3，S3 實(shí)際上沒有被關(guān)斷，而是進(jìn)入了線性區(qū)，此時(shí)負(fù)載電感上仍有電壓，因此 IL 會(huì)繼續(xù)增長，但斜率變小。
   • 關(guān)斷 S4，Ic4 被切斷，IL 得以被 D1、D2 續(xù)流，故障狀態(tài)結(jié)束。

傳統(tǒng)故障管理方法的漏洞及有源鉗位的必要性

在實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二這兩種短路故障中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)管 IGBT 都會(huì)參與，并且內(nèi)管與外管的退飽和的先后順序并不是很固定。從 +1 到 -1 短路的實(shí)驗(yàn)中，如果內(nèi)管先退飽和，則內(nèi)管 Vce 電壓會(huì)一直往上漲，且會(huì)把整個(gè)母線電壓拿去，而這樣會(huì)使內(nèi)管過壓而損壞。在這種情況下，傳統(tǒng)的關(guān)斷順序并不能解決這個(gè)問題，因?yàn)閮?nèi)管因?yàn)橥孙柡投^壓，這會(huì)發(fā)生在內(nèi)管報(bào)錯(cuò)之前。
面對這種情況，有源鉗位是唯一的解決方案。在實(shí)驗(yàn)二中，C 階段中內(nèi)管先退飽和，Vce 電壓被鉗住而不至于過壓，正是因?yàn)檠b備了有源鉗位。如果沒有有源鉗位，C 階段內(nèi)管就會(huì)因?yàn)橄韧孙柡投^壓損壞。