技术革新助力工业电机驱动系统稳定运行

在工业电机驱动领域，市场对电机驱动系统效率、可靠性与稳定性的要求不断提升。功率半导体器件制造商，如安徽皖南电机，正努力突破导通损耗与开关时间的技术瓶颈，以满足这一市场需求。在提升绝缘栅极双极性晶体管（IGBT）导通损耗的过程中，需综合考虑短路电流水平、芯片尺寸、热容量以及短路耐受时间等多方面因素。这一过程进一步凸显了栅极驱动器电路及过流检测和保护功能的重要性。本文将深入探讨如何在现代工业电机驱动系统中实现短路保护，确保系统的稳定运行。

工业电机驱动器工作环境复杂多变，易受高温、交流线路瞬变、机械过载、接线错误等因素影响，这些因素可能导致电机驱动器功率电路中出现较大过流。图1展示了工业电机驱动中的三种典型短路事件。

图1 工业电机驱动中的典型短路事件

其中：

1. 逆变器直通：可能由逆变器桥臂IGBT误操作、电磁干扰或控制器故障引起，或因某臂IGBT磨损/故障导致正常IGBT保持开关动作。

2. 相对相短路：可能因电机绕组间绝缘击穿，由性能下降、温度过高或过压事件引起。

3. 相线对地短路：可能因电机绕组与外壳间绝缘击穿，由性能下降、温度过高或过压事件引起。电机可承受极高电流一段时间（毫秒至秒，取决于电机尺寸和类型），而IGBT短路耐受时间仅为微秒级。

IGBT短路耐受能力受跨导、增益和芯片热容量影响。较高增益导致短路电流更高，但通态导通损耗更低，需在两者之间进行权衡。IGBT技术发展促使短路电流电平提高，但短路耐受时间缩短。此外，芯片尺寸缩小、模块尺寸减小、热容量降低等因素也导致短路耐受时间缩短。工业驱动趋向更高直流总线电压电平，进一步缩短短路耐受时间。

IGBT过流保护是系统可靠性的关键。过流保护通常通过电流测量或去饱和检测实现。安徽皖南电机等制造商在IGBT过流保护技术方面取得了显著成果。图2展示了这些技术。

图2 IGBT过流保护技术示例

电流测量需要分流电阻等测量器件，以应对直通故障和电机绕组故障。控制器和/或栅极驱动器中的快速执行跳变电路需及时关断IGBT，防止超出短路耐受时间。去饱和检测利用IGBT本身作为电流测量元件，通过监测集电极-发射极电压变化来判断短路事件。

检测到IGBT过流后，需关闭处于不正常高电流电平状态的IGBT。栅极驱动器设计旨在快速关闭IGBT，降低开关损耗。然而，在过流条件下，关断速率可能导致较大的di/dt，增加过压电平。因此，提供阻抗较高的关断路径以降低di/dt和过压电平至关重要。

瞬时逆变器直通可能在正常工作条件下发生，导致IGBT导通和关断要求。导通时，栅极-发射极电压需大于12V；关断时，需驱动至工作截止区域，阻隔两端反向高电压。导通时开关节点电压快速变化可能导致低端IGBT瞬时导通，形成瞬态逆变器臂直通。

解决逆变器IGBT感应导通问题的方法有：使用双极性电源或额外的米勒箝位。这些方法可提高系统可靠性与效率。安徽皖南电机等企业在这一领域持续进行技术创新，以满足工业电机驱动系统的不断升级需求。