摘要
：工业电机驱动的整个市场趋势是对更高功率以及可靠性和稳定性的要求不断提高。功率半导体器材制造商不断在导通损耗和开关时间上寻求打破。有关添加绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)导通损耗的一些权衡取舍是：更高的短路电流电平、更小的芯片尺度，以及更低的热容量和短路耐受时间。这凸显了栅极驱动器电路以及过流检测和维护功用的重要性。本文评论现代工业电机驱动中成功可靠地完结短路维护的问题。
工业环境中的短路：工业电机驱动器的作业环境相对恶劣，或许呈现高温、沟通线路瞬变、机械过载、接线过错以及其它突发状况。其间有些事情或许会导致较大的过流流入电机驱动器的功率电路中。图1显现了三种典型的短路事情。
图1 工业电机驱动中的典型短路事情
其间：
1是逆变器直通。这或许是由于不正确敞开其间一条逆变器桥臂的两个IGBT所导致的，而这种状况又或许是由于遭受了电磁搅扰或操控器毛病。它也或许是由于臂上的其间一个IGBT磨损/毛病导致的，而正常的IGBT坚持开关动作。
2是相对相短路。这或许是由于功用下降、温度过高或过压事情导致电机绕组之间产生绝缘击穿所引起的。
3是相线对地短路。这相同或许是由于功用下降、温度过高或过压事情导致电机绕组和电机外壳之间产生绝缘击穿所引起的。一般来说，电机可在相对较长的时间内(毫秒到秒，详细取决于电机尺度和类型)吸收极高的电流;可是，IGBT——工业电机驱动逆变器级的首要部分——短路耐受时间为微秒级。
IGBT短路耐受才干
IGBT短路耐受时间与其跨导或增益以及IGBT芯片热容量有关。更高的增益导致IGBT内的短路电流更高，因而明显增益较低的IGBT具有较低的短路电平。可是，较高增益相同会导致较低的通态导通损耗，因而有必要作出权衡取舍。IGBT技能的开展正在促进添加短路电流电平，但下降短路耐受时间这一趋势。此外，技能的前进导致运用芯片尺度更小，
缩小了模块尺度，但下降了热容量，以致耐受时间进一步缩短。
别的，还与IGBT集电极-发射极电压有很大联系，因而工业驱动趋向更高直流总线电压电平的并行趋势进一步缩减了短路耐受时间。曩昔，这一时间规模是10
μs，但近年来的趋势是在往5 μs3以及某些条件下低至1 μs方向开展。
此外，不同器材的短路耐受时间也有较大的不同，因而关于IGBT维护电路而言，一般主张内建多于额定短路耐受时间的额定裕量。
IGBT过流维护
不管出于财产损失仍是安全方面的考量，针对过流条件的IGBT维护都是体系可靠性的关键所在。IGBT并非是一种毛病安全元件，它们若呈现毛病则或许导致直流总线电容爆破，并使整个驱动呈现毛病。
过流维护一般经过电流丈量或去饱满检测来完结。图2显现了这些技巧。
关于电流丈量而言，逆变器臂和相位输出都需求比如分流电阻等丈量器材，以便敷衍直通毛病和电机绕组毛病。操控器和/或栅极驱动器中的快速履行跳变电路有必要及时关断IGBT，避免超出短路耐受时间。这种办法的最大优点是它要求在每个逆变器臂上各装备两个丈量器材，并装备全部相关的信号调度和隔绝电路。只需在正直流总线线路和负直流总线线路上添加分流电阻即可缓解这种状况。可是，在许多状况下，驱动架构中要么存在臂分流电阻，要么存在相位分流电阻，以便为电流操控环路服务，并供给电机过流维护;它们相同或许用于IGBT过流维护——条件是信号调度的呼应时间足够快，能够在要求的短路耐受时间内维护IGBT。
图2 IGBT过流维护技能示例
去饱满检测运用IGBT自身作为电流丈量元件。原理图中的二极管保证IGBT集电极-发射极电压在导通期间仅遭到检测电路的监控;正常作业时，集电极-发射极电压十分低(典型值为1
V至4 V)。可是，假如产生短路事情，IGBT集电极电流上升到驱动IGBT退出饱满区并进入线性作业区的电平。这导致集电极-发射极电压快速升高。
上述正常电压电平可用来表明存在短路，而去饱满跳变阈值电平一般在7 V至9
V区域内。重要的是，去饱满还可表明栅极-发射极电压过低，且IGBT未彻底驱动至饱满区。进行去饱满检测布置时需细心，以防误触发。这特别或许产生在IGBT没有彻底进入饱满状况时，从IGBT关断状况转化到IGBT导通状况期间。消隐时间一般在敞开信号和去饱满检测激活时间之间，以避免误检。一般还会参加电流源充电电容或RC滤波器，以便在检测机制中产生时间短的时间常数，过滤噪声拾取导致的滤波器杂散跳变。挑选这些滤波器元件时，需在噪声抗扰度和IGBT短路耐受时间内作出反应这两者之间进行权衡。
检测到IGBT过流后，进一步的应战就是封闭处于不正常高电流电平状况的IGBT。正常作业条件下，栅极驱动器规划为能够尽或许快速地封闭IGBT，以便最大程度下降开关损耗。这是经过较低的驱动器阻抗和栅极驱动电阻来完结的。假如针对过流条件施加相同的栅极关断速率，则集电极-发射极的di/dt将会大许多，由于在较短的时间内电流改变较大。
由于线焊和PCB走线杂散电感导致的集电极-发射极电路寄生电感或许会使较大的过压电平瞬间抵达IGBT(由于VLSTRAY = LSTRAY ×
di/dt)。因而，在去饱满事情产生期间，关断IGBT时，供给阻抗较高的关断途径很重要，这样能够下降di/dt以及全部具有潜在损坏性的过压电平。
除了体系毛病导致的短路，瞬时逆变器直通相同会产生在正常作业条件下。此刻，IGBT导通要求IGBT驱动至饱满区域，在该区域中导通损耗最低。这一般意味着导通状况时的栅极-发射极电压大于12
V。IGBT关断要求IGBT驱动至作业截止区域，以便在高端IGBT导通时成功隔绝两头的反向高电压。原则上讲，能够经过使IGBT栅极-发射极电压下降至0
V完结该方针。可是，有必要考虑逆变器臂上低端晶体管导通时的副作用。
导通时开关节点电压的快速改变导致容性感应电流流过低端IGBT寄生密勒栅极-集电极电容(图3中的CGC)。该电流流过低端栅极驱动器(图3中的ZDRIVER)关断阻抗，在低端IGBT栅极发射极点创造出一个瞬变电压添加，如图所示。假如该电压上升至IGBT阈值电压VTH以上，则会导致低端IGBT的时间短导通，然后构成瞬态逆变器臂直通——由于两个IGBT都时间短导通。这一般不会损坏IGBT，但却能添加功耗，影响可靠性。
图3 密勒感应逆变器直通
一般来说，有两种办法能够处理逆变器IGBT的感应导通问题——运用双极性电源或额定的米勒箝位。在栅极驱动器隔绝端承受双极性电源的才干为感应电压瞬变供给了额定的裕量。例如，–7.5
V负电源轨表明需求大于8.5 V的感应电压瞬变才干感应杂散导通。 这足以避免杂散导通。
另一种办法是在完结关断转化后的一段时间内下降栅极驱动器电路的关断阻抗。这称为米勒箝位电路。容性电流现在流经较低阻抗的电路，随后下降电压瞬变的起伏。针对导通与关断选用非对称栅极电阻，便可为开关速率操控供给额定的灵活性。所有这些栅极驱动器功用都对整个体系的可靠性与功率有正面影响。
