功率模塊的過電流保護
作者：林 勇

O 引言
目前，功率模塊正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發展。功率模塊為機電一體化設備中弱電與強電的連接提供了理想的接口。
在任何運行狀態下，功率模塊都需要受到保護，以避免其承受不允許的電流應力，也就是說，避免功率模塊的運行區超出所給定的安全工作區。
超出安全工作區運行將導致功率模塊受損傷，其壽命會由此而縮短。情況嚴重時還會立刻導致功率模塊的損壞。
因此，最重要的是先檢測出臨界的電流狀態和故障，然后再去恰當地響應它們。
本文的敘述主要是針對IGBT的過電流保護，但是，也可以類推應用到功率MOSFET。

1 故障電流的種類
故障電流是指超過安全工作區的集電極或漏極電流。它可以由錯誤的控制或負載引起。
故障電流可通過以下機理導致功率半導體的損壞；
1)由高功率損耗導致的熱損壞；
2)動態雪崩擊穿；
3)靜態或動態的擎住效應；
4)由過電流引起的過電壓。
故障電流可進一步劃分為過電流、短路電流及對地故障電流。
1.1 過電流
特征：
1)集電極電流的di／dt低(取決于負載電感和驅動電壓)；
2)故障電流通過直流母線形成回路；
3)功率模塊沒有離開飽和區。
起因：
1)負載阻抗降低；
2)逆變器控制出錯。
1.2 短路電流
特征：
1)集電極電流急劇上升；
2)故障電流通過直流母線形成回路；
3)功率模塊脫離飽和區。
起因：
1)橋臂直通短路(圖l中的情況1)
一一由于功率模塊失效而引起；
一一由于錯誤的驅動信號而引起。
2)負載短路電流(圖l中的情況2)
一一由于絕緣失效而引起；
一一由于人為的失誤而引起(例如誤接線)。
1．3 對地故障電流
圖l中的情況3。

特征：
1)集電極電流的上升速度取決于接地電感和作用于回路的電壓；
2)對地故障電流不經過直流母線形成封閉回路；
3)功率模塊脫離飽和區與否取決于故障電流的大小。
起因：
由于絕緣的失效或人為的失誤使帶電導線和大地電位之間存在連接。

2 ICBT和MOSFET在過載及短路時的特性
2.1 過電流
原則上，器件在過電流時的開關和通態特性與其在額定條件下運行時的特性相比并沒有什么不同。由于較大的負載電流會引起功率模塊內較高的損耗，所以，為了避免超過最大的允許結溫，功率模塊的過載范圍應該受到限制。
在這里，不僅僅是過載時結溫的絕對值，而且連過載時的溫度變化范圍都是限制性因素。
幾個ICBT和MOSFET的具體的限定值，由圖2所示的典型功率模塊的安全工作區給出。

2．2 短路
原則上，ICBT和MOSFET都是安全短路器件。也就是說，它們在一定的外部條件下可以承受短路，然后被關斷，而器件不會產生損壞。
在考察短路時(以IGBT為例)，要區分以下的兩種情況。
1)短路I
短路I是指功率模塊開通于一個已經短路的負載回路中。也就是說，在正常情況下的直流母線電壓全部降落在功率模塊上。短路電流的上升速度由驅動參數(驅動電壓、柵極電阻)所決定。由于短路回路中寄生電感的存在，這一電流的變化將產生一個電壓降，其表現為集電極一發射極電壓特性上的電壓陡降，如圖3所示。

穩態短路電流值山功率模塊的輸出特性所決定。對于IGBT來說，典型值最高可達到額定電流的8~10倍。
2)短路Ⅱ
在此情形下，功率模塊在短路發生前已經處于導通狀態。和短路Ⅱ情形相比較，功率模塊所受的沖擊遠為甚之。
為了解釋這個過程，圖4顯示了短路Ⅱ的等效電路圖及其定性的特性曲線。

一旦短路發生，集電極電流迅速上升，其上升速度由直流母線電壓VDC和短路回路中的電感所決定。
在時間段1內，IGBT脫離飽和區。集電極一發射極電壓的快速變化將通過柵極 集電極電容產生一個位移電流，該位移電流又引起柵極一發射極電壓升高，具結果是出現一個動態的短路峰值電流IC/SCM。
在IGBT完全脫離飽和區后，短路電流趨于其穩態值(時間段2)。這期間，回路的寄生電感將感應出一個電壓，其表現為IGBT的過電壓。
在短路電流穩定后(時間段3)，短路電流被關斷。此時換流回路中的電感Lx將在IGBT上再次感應一個過電壓(時間段4)。
IGBT在短路過程中所感應的過電壓可能會是其正常運行時的數倍，如圖5所示。

為保證安全運行，必須滿足下列重要的臨界條件：
1)短路必須被檢測出，并在不超過lOμs的時間內關閉；
2)兩次短路的時間間隔最少為1s；
3)在IGBT的總運行時間內，其短路次數不得大于1000次。
短路I和短路Ⅱ均將在功