01 前 言  

大家好，IGBT在應用過程中不可避免地會發生過流或短路故障，當發生此類故障時，器件的電流非常大，極易使IGBT芯片結溫升高，導致器件燒壞。為了查明故障原因，找到解決方法，我們一般會分析IGBT發生過流或短路時的故障路徑。這期我們以兩電平逆變器應用為例，分析一下IGBT容易出現的幾種短路故障類型，加深大家對于短路故障的理解。

02 IGBT過流和短路故障區別 

在分析IGBT的短路故障前，有必要對過流和短路兩個概念進行簡單解釋。

過流一般是指由于某種原因引起的負載過載（例如電機堵轉），也有可能是由于軟件控制問題導致的電流發散、振蕩導致。而短路一般是指橋臂直通，或母線電壓經過IGBT的無負載回路（相間短路或相對地短路）。

過流和短路的保護方法也有所不同，過流保護通常會采用輸出電流傳感器作為檢測元件，在控制板上通過硬件或軟件方式實施保護，而短路保護只能通過硬件進行檢測，一般會集成到IGBT驅動電路上，通過檢測IGBT的退飽和行為來實施保護。

下面我們以工業電機驅動逆變器為例說明一下常見的短路故障，如圖1所示：

圖1 工業電機驅動短路故障

① 橋臂直通：一個橋臂的兩個IGBT同時開通所導致，這種情況可能是因為遭受了電磁干擾或控制器故障，也有可能是因為橋臂中的一個IGBT故障，而正常的IGBT保持開關動作。

② 相對相短路：可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件導致電機繞組之間發生絕緣擊穿所引起的，也有可能由于傳輸電纜絕緣損壞。

③ 相對地短路：同樣可能是因為性能下降、溫度過高或過壓事件導致電機繞組和電機外殼之間發生絕緣擊穿所致，也有可能由于傳輸電纜破損接地。

以上三種故障都可以稱為短路故障，但短路回路阻抗不同。如果逆變器輸出電纜較長且在電纜的末端發生短路，那短路阻抗相對很大，這種短路和過流可能沒有太大區別，也可以通過輸出電流傳感器進行短路保護。

需要說明的是IGBT發生橋臂直通短路故障的幾率相對較小。因此，在有些低成本應用中，IGBT驅動電路并沒有集成短路保護，只有過流保護。這時如果負載側發生短路，器件是否能夠被保住，主要取決于短路回路阻抗的大小以及電流傳感器的響應速度。

03 IGBT短路分類

通過上面分析，大家應該知道過流和短路的區別了，下面我們從IGBT視角分析幾種常見的短路故障類型。

圖2 IGBT短路故障類型 

①  IGBT開通瞬態發生的短路行為（SC 1）：IGBT開通（門極電壓由負壓轉為正壓的過程中）導致的短路故障，也就是IGBT在開通之前，系統沒有發生短路故障。

②  IGBT通態過程發生的短路行為（SC 2）：IGBT在導通過程中（門極保持正壓開通），且正向導通電流時，由于外部原因導致的器件電流突然增大行為。

③  IGBT通態過程發生的短路行為（SC 3），IGBT在導通過程中（門極保持正壓開通），且內部續流二極管正向導通電流時，這時由于外部原因導致的器件電流突然增大行為。

04 短路故障 SC 1

IGBT開通即進入短路狀態，可以用圖3所示雙脈沖測試電路進行分析。通過改變短路電感Lsc（幾十個nH以內）的大小就可以分析下管IGBT的開通短路行為特性。SC 1 也是IGBT最為常見的短路故障，根據退飽和時間的長短（取決于短路回路雜感），可以進一步分為一類短路和二類短路。

圖3 SC 1 短路測試電路

① 一類短路

IGBT發生一類短路時的典型波形如圖4所示，IGBT開通瞬間就進入退飽和狀態（還沒來得及進入導通狀態）。一類短路故障回路的電感量一般在幾十個nH，這種情況一般出現在橋臂直通狀態。

一類短路故障實驗，并不太好做，因為外部負載電感很難控制在幾十nH，這個時候可以用寬導線將S1的CE短接，也可以讓S1保持常開狀態，當然也可以S1反接（取決于DIODE正向導通特性），目的都是要控制短路回路的雜感盡可能地小。

 圖4 一類短路測試波形

② 二類短路

IGBT發生二類短路時的波形如圖5所示，IGBT開通后首先進入飽和導通狀態，然后再發生退飽和行為。主要原因是回路的電感量稍大（一般為百nH以上），電流爬升的速度慢了一些（比一類短路慢，但實際還是很快）。

 圖5 二類短路測試波形

③ 討論

兩種短路都有一個共同點：IGBT都會出現“退飽和現象”，一旦IGBT退出飽和區，它的損耗會成百倍地上升，那么允許持續這種狀態的時間非?？量?，一般在10us以內。這是需要靠IGBT門極驅動器發現這一行為，并及時關掉器件。

IGBT在不同雜感情況下產生退飽和行為的波形如圖6所示。為了精確區分兩類短路故障（好像也沒啥意義），我們將IGBT完全開通之后發生的退飽和行為定義為二類短路故障，在此之前發生的退飽和行為定義為一類短路故障。

 圖6 IGBT退飽和行為與雜感關系[1]

 05 短路故障SC 2 

IGBT在導通狀態下發生的短路故障可以用圖7電路進行描述，在下管IGBT導通過程中，給上管IGBT一個開通脈沖。為了更明顯地觀察到下管IGBT的退飽和行為，一般要求上管IGBT的門極開通電壓要大于15V，小伙伴們可以考慮一下為什么。

圖7 SC 2 短路測試電路

SC 2短路故障波形如圖8所示。一旦發生短路，IGBT電流急速上升，di/dt上升率由母線電壓和回路的寄生電感決定。第1階段IGBT開始出現欠飽和狀態，該過程IGBT集電極電壓略微上升，但是由于該階段米勒電容較大，因此由于dv/dt作用，會有部分電流進入門極，導致門極壓Vge有所增加，Vge增加會進一步導致集電極電流上升。

第1階段結束后，短路電流下降到靜態值，這個時候由于反向di/dt與回路雜散電感作用，會導致Vce出現正向電壓峰值Vc/scon。經過第3階段后，IGBT被關斷，這個時候驅動電路的軟關斷或有源鉗位功能會起作用，將IGBT的關斷尖峰限制在安全范圍內。

圖8 SC 2 故障測試波形[2]

需要注意的是，SC 2相比SC 1要求的條件更加苛刻，雖然驅動電路能夠限制關斷電壓Vc/scoff，但是不能限制Vc/scon，Vc/scon有可能超出器件的額定電壓[2]，因為第二階段的di/dt是不受控的。好在IGBT實際應用中門極電壓都一致，圖7所示電路在發生短路時，兩個器件有可能都會發生退飽和，這個時候下管IGBT 的Vc/scon應該能控制在安全范圍內。

參考文獻[1]和[3]也分別給出了SC 2故障波形，如圖9和10所示：

 圖9 SC 2 故障測試波形[1]

圖10 SC 2 故障測試波形[3]

通過圖9和圖10可以看出，在di/dt上升過程中，門極電壓出現負值，與圖8門極電壓正好相反，具體原因論文中也沒有解釋太清楚，從di/dt與模塊內部雜感（芯片發射極和功率發射極）的角度理解，這個電壓也應該增加啊，知道原因的小伙伴請賜教。

06 短路故障 SC 3 

SC 3故障是指IGBT保持開通狀態且發生短路的上一時刻時二極管在導通電流，此時如果直接開通上管，下管IGBT發生的短路行為。SC 3可以用圖11所示電路進行模擬。

圖11 SC 3 短路測試電路

SC 3短路波形如圖12所示，當短路發生時，IGBT被迫導通，類似于二極管的正向恢復過程，IGBT也存在正向恢復，主要是因為雙極性功率半導體器件的電導調制需要一定時間。這個正向恢復峰值電壓主要取決于di/dt速度，在寬基區高電壓IGBT上可高達幾百伏(模塊內部雜感和di/dt作用也有一定貢獻)，正向峰值后面的波形和SC 2分析基本一致。

圖12 SC 3 故障測試波形[2]

可想而知，既然IGBT存在正向電壓，那并聯的二極管也會存在反向恢復過程，因此圖12中的ISC既包含了IGBT的正向導通電流也包含了并聯二極管的反向恢復電流。

參考文獻[1]也給出了SC 3短路測試波形，如圖13所示，在di/dt上升過程中Vge同樣也出現了負電壓，具體原因未知?？赡苡腥艘矔枮槭裁磮D13中的IC和圖12中的不太一樣，這個可能跟模塊有關系，老耿也沒條件測試，大家要是感興趣可以自己測測看。

圖13 SC 3 故障測試波形[1]

有些小伙伴可能會比較好奇內部續流二級管的電流？因為IGBT芯片和DIODE芯片都被封在了模塊內部，很難測量。參考文獻[1]通過特殊方法測得內部二極管的電流以及反向恢復功率如圖14所示，可以看到二極管會有一個反向恢復損耗的峰值，這個值如果超過SOA也可能會導致器件失效。

圖14 SC 3 IGBT內部續流二極管短路波形[1]

07 總結 

①  本文介紹了IGBT應用中常見的3種短路故障SC 1、SC 2和SC 3，其中SC 1又可以進一步分為一類短路故障和二類短路故障。

②  對于SC 3短路故障，IGBT正向打開，如果內部續流二極管導通電流，這個時候加反向電壓，內部續流二極管也會出現反向恢復過程。這個問題在三電平中應用中存在過爭議，主要是針對內管IGBT的二極管是否存在反向恢復過程，在這里應該能得到答案了。

③  SC 2和SC 3的區別是在發生短路之前一個是IGBT導通電流，一個是二極管導通電流，所以SC 2故障IGBT不會產生正向恢復（IGBT基區已經被電導調制）。

④ 對于SC 2和SC 3短路，三篇參考文獻波形有所不同，對于SC 2中的Vge為什么會出現負電壓老耿也不太清楚，SC 3中的總電流也有所不同，感興趣的小伙伴可以聯系老耿，一塊交流討論。

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參考文獻：

[1] Application Note 5SYA 2095-1: IGBT short circuit safe operating area (SOA) capability and testing.

[2] Josef Lutz. Semiconductor Power Device: Physics, Characteristics, Reliability.

[3] Jan Fuhrmann. Short-circuit behavior of high-voltage IGBTs[C]. IECON 2016 - 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.