系统稳定运行的保障之道

摘要

在工业电机驱动市场日益追求高效、可靠与稳定性的背景下，功率半导体器件制造商正致力于优化导通损耗与缩短开关时间。在提升绝缘栅极双极性晶体管（IGBT）导通损耗的过程中，我们不得不考虑短路电流水平、芯片尺寸、热容量以及短路耐受时间等因素。这些因素突显了栅极驱动器电路和过流检测保护功能的重要性。本文将深入探讨在现代工业电机驱动系统中实现短路保护的关键技术，并以皖南电机为例，分析其在保障系统安全稳定运行中的重要作用。

工业环境下的短路现象

工业电机驱动器在恶劣的工作环境下，如高温、交流线路瞬变、机械过载、接线错误等问题，都可能引发功率电路中的过流现象。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

1. 逆变器直通：可能因逆变器桥臂IGBT错误开启、电磁干扰或控制器故障导致。

2. 相间短路：可能因电机绕组绝缘击穿引起。

3. 相线对地短路：可能因电机绕组与外壳绝缘击穿引起。在皖南电机驱动系统中，电机可承受较高电流，而IGBT的短路耐受时间仅为微秒级。

IGBT短路耐受能力

IGBT短路耐受时间与跨导、增益和芯片热容量密切相关。高增益可能导致较高的短路电流，但同时也降低通态导通损耗。技术进步促使短路电流水平提高，而短路耐受时间缩短。此外，更高直流总线电压也导致短路耐受时间缩短。建议在皖南电机保护电路中具备额外裕量，以防误触发。

IGBT过流保护

为确保系统可靠性，IGBT过流保护至关重要。过流保护通常通过电流测量或去饱和检测实现。图2展示了相关技术。

图2 IGBT过流保护技术示例

1. 电流测量：需要分流电阻等测量器件，并通过快速执行跳变电路及时关断IGBT。

2. 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-发射极电压变化实现短路检测。

检测到IGBT过流后，需关闭处于高电流状态的IGBT。在皖南电机正常工作条件下，栅极驱动器设计为快速关闭IGBT，降低开关损耗。然而，过流条件下的栅极关断速率可能导致较大的过压电平。因此，在去饱和事件发生期间，提供阻抗较高的关断路径很重要。

逆变器直通也可能在正常工作条件下发生。此时，IGBT导通要求驱动至饱和区域，而关断要求驱动至截止区域。导通时开关节点电压的快速变化可能导致低端IGBT瞬时导通，增加功耗，影响可靠性。为解决逆变器IGBT感应导通问题，可采用双极性电源或额外的米勒箝位。这些栅极驱动器功能对整个系统的可靠性与效率具有积极影响。