【导读】短路故障是IGBT装置中常见的故障之一，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。

IGBT被广泛用于各类pwm变流器，如ups、变频器、有源电力滤波器等。随着IGBT制造工艺的发展，如今，IGBT的额定电流和电压已分别提升到3600a和6500v，由大功率IGBT构成的现代化兆瓦级变流器，广泛出现在各类工业应用当中，尤其是近年来，随着新能源发电技术的发展，中大功率IGBT得到了更为广泛的应用。随着变流器容量的提升，变流器在整个系统的成本以及可靠性中所占的比重日益增大，因此，兆瓦级变流器的可靠性成为广泛关注的问题。

短路时IGBT失效的原因

短路故障是电力电子装置中常见的故障之一。电机绕组绝缘击穿、电机电缆绝缘击穿、误操作、驱动指令错误、不足的死区时间，都会造成短路故障的发生。

通常，IGBT短路故障致使IGBT损坏的原因主要有以下三种。总的来说，这三种原因都可以归结为器件中硅材料或焊接导线的热效应所引起。

（1）超出硅材料的热极限

短路过程中，IGBT承受整个vdc电压，同时ic为正常电流的若干倍。IGBT将承受远大于正常运行状态下的损耗，从而使得IGBT的结温迅速升高。如果结温超过了允许的最高结温，IGBT将因热积累作用失去阻断能力。vce将迅速降低，随后整个器件完全损坏。通常，IGBT生产厂家都会保证在特定情况下10μs的短路耐受时间。

（2）IGBT擎住效应

在IGBT中存在一个寄生的npn三极管，正常运行情况下，这个npn三极管被扩散电阻旁路，不会开通。然而，在ic很大的情况下，例如短路发生时，这个npn三极管将开通，这样IGBT门极将失去对IGBT的控制力。最终，IGBT将因为过大的电流使芯片和焊接导线上产生过大的损耗而损坏。

（3）vce过电压

在保护电路控制IGBT主动关断由于短路引起的大电流时，由于分布电感的存在会产生vce过电压，vce超过了特定的限制。IGBT将因雪崩击穿而损坏；与短路电流相等的ic将集中于一块很窄的硅上从而产生一个高温的热点，因此，IGBT失去它的阻断能力，并在几十ns内失去电压。为了防止由于这类原因造成IGBT失效，除了主回路的分布电感应尽可能地小，还需要一种带有vce控制的门极驱动器。

短路故障的关断过电压

通常情况下，IGBT短路故障被分为两类，开通短路（hsf）和通态短路（ful）。

开通短路是指负载短路发生在IGBT开通过程中，如图1a）所示。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。

图1：两种IGBT短路故障特性

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，如图1b）所示。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。

仔细观察图1中vce曲线，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。

图2：换流回路的等效电路

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。在如图2所示的等效电路图中，可得vce如下：

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。

为了保证vce在IGBT的额定范围以内换流电流变化率必须满足下式。