电机控制器短路的相关问题探讨

知识点：绝对地短路

如何损坏电机控制器中的IGBT模块？

我们将其分为以下四类：

a类：Vce过压

        Vge过压

        过高的dv/dt

        静电（ESD）

b类：过流（Over-current）

        短路（Short-circuit）

        过高的di/dt

c类：Tj（结温）＞175℃（具体根据芯片手册）

        Tcase（壳温）＜ -40℃

d类：温度循环（Thermal cycling）

         温度冲击（Thernal shock）

         功率循环（Power cycling）

         振动（Vibration）

    

但是IGBT驱动器所能保护的项目非常有限；“Vce过压”、“Vge过压”、“过高的dv/dt”、“短路”、“过高的di/dt”可以通过IGBT驱动器进行有效的保护，保护措施在之前的文章中《浅谈IGBT的驱动设计几个基本问题》有提到。

今天我们着重探讨下这其中的“短路”的相关问题。

电机控制器短路可以分为两类：桥臂内短路和桥臂间短路。

•    桥臂内短路（直通）

•   命名为“一类”短路

•   硬件失效或软件失效

•   短路回路中的电感量很小（100nH）

•   可以使用Vcesat 检测    

  

•    桥臂间短路（大电感短路）    

•    命名为“二类”短路

•    相间短路或相对地短路

•    短路回路中的电感量稍大（uH级别的）

•    可以使用Vcesat检测，也可以使用霍尔，根据电流变换率来定

•    这类短路的回路中的电感量是不确定的

  

演算如下：

IGBT发生短路时，描述短路电流的数学表达式如下，它表示，在短路发生时，电流的绝对值与电压、回路电感，及整个过程持续的时间有关系。

         

绝大部分的短路，母线电压都是在额定点的，影响短路电流因素主要是“短路回路中的电感量”。因此对短路行为进行分类定义时，短路回路中的电感量是主要的分类依据。

如果短路回路中的电感量再继续增大，那么电流变换率就变得更低，此时就不是短路了，变成“过流”。IGBT的驱动器是觉察不到这种异常状态的，因为

此在系统中增加电流传感器来感知电流的绝对数值，从而进行过流保护。所以，IGBT驱动器是不能进行过流保护的。

二类保护和过流之间没有明显的界限，学术上没有进行定义，在工程上，可以做一个粗略的经验界定：10A/us以下的电流变化率视为“过流”。

那么过流失效和短路失效的有什么区别？

上面我们谈到，短路我们分为一类及二类两种，它们有一个共同点：IGBT会出现“退饱和现象”，当IGBT一旦退出饱和区，它的损耗会成百倍的上升，那么允许这种状态的持续时间非常苛刻，只有10us，IGBT驱动器可以发现这一行为并关掉门级。

IGBT过流的情况则是，回路电感很大，电流爬升很慢（相对于短路），IGBT不会发生退饱和的现象，但是由于电流比正常工况高很多，因此经过若干个开关周期后，IGBT损耗会比较高，结温会迅速上升，从而导致失效。在这时，IGBT驱动器一般是不能及时发现这一现象的，因为IGBT的退饱和压降的变化很微弱，驱动器通常识别不到这种变化。

一类保护：         

说明：发生一类保护时，IGBT的电流会快速上升，当电流上升到一定数值时（有的厂家推荐4倍额定电流，其实并没有实际意义），IGBT会发生退饱和现象，其标志是IGBT的电压会迅速上升至直流母线电压。当IGBT退出饱和区后，IGBT的电流为4倍额定电流（此数值一般来源于芯片厂家推荐，但是实际工程中一般由设计师设定）。此时IGBT电压为母线电压，IGBT芯片的损耗非常巨大。工程上设计一般短路检测不会超过10us（实际应用中，要根据大量测试数据进行标定）。如果芯片厂家对短路电流和检测时间有明确约束时，应该按照芯片厂家要求进行驱动开发和设计，例如：infineon的 FS820R08A6P2B就有如下描述。

二类保护：

说明：发生二类短路时，由于回路的电感稍大，电流爬升速度慢一些，（但是实际上还是在us级别的，还是很快的），门级脉冲打开时，IGBT的Vce下降至饱和压降，随着电流进一步加大，饱和压降轻微上升，当电流到达“退饱和点”时，Vce迅速上升至直流母线电压，我们把Vce上升的过程称为“退饱和”行为。当IGBT退出饱和区后，其损耗要比未退饱和前高数百倍，因为Vce电压从几伏上升至几百伏，而电流则没有明显变换。

之前谈过二类保护和过流是没有明确的界限的，短路时回路中不确定的电感量，造成Vcesat检测法在二类保护中毫无解决办法。

相关推荐链接：

1、低压短路电流计算低压短路电流计算

2、短路保护、过载保护、零压保护概念区分