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嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. 2010—09—23 IGBT 在系统中的短路及其保护 何晓东 概述 本文主要简单探讨 IGBT 在低压中小功率系统使用中几种常用的短路保 护，着重介绍采用检测 Vce 的方式。简单阐述了短路保护的工作原理以及保 护线路设计的合理性。 短路保护方案介绍 常用短路保护设计中，电流采样主要有三种方式，分别是： N-BUS （零 线）分流电阻检测，输出霍尔检测，Vce 电压检测。 图 1 通过在母线回路中串联一个阻值很小电阻，根据欧姆定律将电压信号作 为作为判别短路的依据。这种方式具有较高的精度和灵敏度，而且能够保护 对地短路，缺点是只适合小功率机器，大电流对电阻的功率要求太高。 随着霍尔的响应时间不断提升，使其不单具有换算电流大小的功能，还 可以通过硬件电路实现对短路电流的保护。由于霍尔检测的响应时间问题， 可靠性相对低于其他两种方式。由于霍尔传感器安装在输出端，所以没有办 1 Application Note AN9006 V0.0 嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. 法保护上下管直通。 光耦保护 IGBT 是通过检测 C-E 电压来实现的，根据 Vce 与 Ic 之间关 系，当 Ic 迅速上升，Vce 跟着上升。当 Vce 值上升到达保护点电压，那么光 耦就会自身实现软关断，同时将错误信号送给 DSP，整个过程一般在 5-10us 之间。由于此类保护灵敏度非常高，精度比较差，所以只适合短路保护。图 2 为 GD200HFL120C2S 的 Vce 与 Ic 的关系图，随着 Vce 的上升，IC 上升 的幅度在变大，+7V 时的 Ic，其实远远超出了模块的短路电流。在做动态短 路测试时，L，Vg ，tr ，tf 等参数有严格且稳定的控制，电流一般会被控制在 8-10 倍的 Ic，如图3 所示，但在系统上测试短路，由于开关特性、回路负载 和干扰，电流往往会上升的比较高。 图2 常见的短路保护驱动光耦 （一）PC929 PC929 是变频器行业常见的驱动光耦，自带短路保护功能（PC923 无 保护），由于其输出峰值电流只有0.4A，在驱动较大功率 IGBT 时，需要在 后端经过对管放大才能驱动 IGBT。具体 PC929 能驱动多大电流的模块， 要看对管的选择，只要 PC929 能够推动对管，而对管又可以推动 IGBT， 那么就可以实现。 图3 为 PC929 内部保护电路： 2 Application Note AN9006 V0.0 嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. 1 ，当 IGBT 关断时，9 脚 C 电压被拉为零。 2 ，当 IGBT 开启时，Vcc 通过 Rc 对 Cp 充电，充电电压超过+7V，O2 输 出实现软关断，FS 同时送错误信号CPU，FS 为低电平有效，对 Cp 充电 速度由 Rc 和 Cp 决定。 3 ，再当 IGBT 关断，C 迅速又被拉低，拉低速度远大于 IGBT 关断速度。 图3 很多人反映 PC929 容易误动作，却对误动作的机理并不是很清楚， 有人认为是保护时间太短了，也有人认为 IGBT 的压降太大。那下面我们 讨论下 PC929 会误动作的原因，这对 IGBT 的保护电路设计很重要。 从理论上看，Vce(sat)越大的 IGBT 在线性区越快到达保护电压+7V， 这是正确的，但不是造成误动作的原因。+7V 的饱和压降所对应的 Ic 的值， 远远大于最大过载电流时的饱和压降，而一般芯片的压降只有 1V