IGBT模块三电平电路故障时关管顺序的讨论

IGBT模块三电平电路故障时关管顺序的讨论

IGBT模块三电平电路故障时的关管顺序----传统办法

在1字形二极管钳位三电平电路中，当发生短路故障或过流故障时，传统的关断IGBT的做法是，检测到故障的驱动器把故障信息传递给控制器，然后控制器先把外管关断，再关断内管。

这样的特定的关断顺序的原因是：

1. 如果错误地先把内管关断，那么内管IGBT就会承担整个母线电压，这样内管会严重过压而马上损坏；

2. 如果先关外管，外管的电压会被钳在半个母线电压上，不会出现过压，然后再关断内管，内管就安全了。

三电平电路故障时的传统关管顺序的时序关系：

上图是一种三电平拓扑的传统故障管理的典型时序，当短路响应时间过了后，驱动器才能向控制器确认故障，而控制器确认故障则需要2us的时间。也就是说，到控制器确认故障时，短路已经发生了10.5us了（8.5us短路响应时间+2us确认时间）。这个时间还是理论上的最短时间，没有考虑控制器的计算时间及传输延时。所以，三电平中的短路时间，一般都会略高于10us。

CONCEPT提出一种新的方法 CONCEPT提出一种全新的思路：

利用有源钳位功能提供的优势，忽略1字形三电平的关管顺序。当IGBT检测到故障时，无论是内管还是外管，马上把对应的IGBT关掉，然后再向控制器报告；如果检测到故障的通道是内管，会马上给内管IGBT发关断指令，这样会导致内管IGBT过压，但实际上内管IGBT在这种情况下并不能被关断，因为有源钳位功能把内管电压钳住，而不会出现过压。为了验证我们的这一创新性的提法，我们做了一系列验证实验。

三电平电路中有源钳位功能的有效性的研究

以下测试将研究在错误的关断时序时，有源钳位功能如何保护三电平电路中的IGBT模块。

IGBT under test: F3L200R07PE4, 650V/200A, NPC1, 1字型三电平模块；IGBT driver: 2SC0108T2D0-12, CONCEPT，该驱动装备有源钳位功能；有源钳位门槛（TVS

击穿的典型值）设为，479V(1mA,25℃)；以支持870V的最大直流母线电压Vdc（每个半直流母线电压均设为相同值以

便于测量）。

以下将考虑三种不同的情况：两种短路情况和一种常规开关事件，每种情况都存在“不正确”的关断时序。

实验一: 在MP与0点间建立短路路径

(a) 所有IGBT处于关断状态，Vdc=870V； (b) 开通S3；

(c) 开通S4，短路电流迅速升高，S3首先出现退饱和，Vce3上升到400V左右，Ic4稳定在某一水平，随后S4也出现退饱和现象；

(d) 首先主动关断S3，（按照传统理论应该先关S4），S3被有源钳位功能限制在线性区内，且Vce3被钳在480V左右；IC4（实际上也是IC3）以较慢的di/dt下降至0，该过程回路中的全部杂散电感中的能量被消耗在S3这个IGBT的线性区内；

(e) 短路电流为0，有源钳位自然结束； 实验二: 在MP与P之间建立短路路径

(a)所有IGBT处于关断状态，Vdc=550V (b) 开通S3，开始出现短路电流，

(c) 开通S4，Vce4下降，D6出现反向恢复并截止，S4上出现短路电流，S3出现退饱和，IC4低于IL，意味着短路回路中有一部分电路被截断了，而不能被D1,D2续流，因而，Vce3产生电压尖峰，冲高到630V后被有源钳位钳到500V左右

(d) S4仍然在饱和导通区，因IL大于IC4，意味着D1，D2在导通，有一部分IL被D1，D2续流

(e) Vce4开始上升，即S4开始退出饱和区，

(f) 控制器发出指令关断S3，(故意这样做，模拟故障状态)，可见所有物理量都没有太大变化，这是因为有源钳位电路一直有效，钳住Vce3，可见错误的关断顺序并没有使S3过压；

(g) 关断S4，短路电流Ic4 被切断， Vce4产生尖峰，但也被有源钳位电路钳住，当Ic4为0，故障解除； 实验三: 错误的换流顺序

该实验模拟正常工作中的错误换流顺序。

(a)所有IGBT处于关断状态，Lload=65uH，Vdc=870V (b) 打开S3

(c) 打开S4，负载电流直线上升；

(d) 关断S3，正确的换流顺序应该是先关断S4，但此处故意模拟一个错误，先关S3，如果没有有源钳位电路，负载电流会被D1，D2续流，S3会承担整个母线电压而损坏。

(e) 而此时Vce3出现电压尖峰，大约到600V，然后被有源钳位电路钳到500V左右，负载电流仍然流过S3，S3实际上没有被关断，而是进入了线性区，此时负载电感上仍有电压，因此IL会继续增长，但斜率变小；

(f) 关断S4，Ic4 被切断，IL得以被D1，D2续流，故障状态结束； 三电平电路中传统的故障管理方法中的一个漏洞：

实验一与实验二这两种短路故障中，我们发现，内管IGBT都会参与，我们还发现，内管与外管的退饱和的先后顺序并不是很固定。从+1到-1短路的实验中，如果内管先退

饱和，则内管Vce电压会一直往上涨，且会把整个母线电压拿去，而这样会使内管过压而损坏，在这种情况下，传统的关断顺序并不能解决这个问题，因为内管因为退饱和而过压，这会发生在内管报错之前。

面对这种情况，有源钳位是唯一的解决方案，实验二中，C阶段中内管先退饱和，Vce电压被钳住而不至于过压，是因为装备了有源钳位。如果没有有源钳位，C阶段内管就会因为先退饱和而过压损坏。

关于这一个问题，传统的三电平电路故障管理方法是克服不了的。有源钳位在三电平电路中是非常必要的配置。 实验一与实验二的小结：

实验一与实验二是两种短路故障，分别代表了0电平与-1电平间的短路，及+1电平至-1电平间的短路，这两种情况可以完全覆盖全部的短路状态。实验证明，有源钳位的存在能完全抑制内管过压问题，虽然控制器发出关断指令，实际上IGBT并不能被关断，而是被卡在了线性区内。这样可以保证IGBT不过压。这种状态需要持续的时间是：从内管报错开始，直到外管被关断为止。在实际应

用中，这个就是从内管驱动器发出故障状态信息给控制器，控制器再发关断指令给其他通道的驱动器的时间间隔。显然，IGBT在线性区内的损耗也是比较高的，但不是不能接受的，从实际情况

出发，IGBT在线性区内3~5个us所产生的损耗是可以接受的。 实验三的小结：

实验三不是短路故障，实际上是换流顺序错误，但是可以发现，三电平电路中，如果环流顺序错误，后果是很严重的，内管马上面临过压问题。如果没有有源钳位的保护，内管肯定要损坏，而且没有办法保护。实际应用中，如果PWM信号生成时出现错误，或者传输过程出现错误，导致换流顺序错误，是完全有可能的。

因此，有源钳位功能对于实验三的情形是一种必要的配置。 总结：

CONCEPT提出了一种新的关于管理三电平故障状态的方法，在驱动器检测到短路故障时，直接对该通道的IGBT进行关断，同时马上报错，利用有源钳位功能把IGBT的Vce电压钳住而不至于过压，让IGBT在线性区多内保持几微秒。

同时，我们还提出有源钳位在1字形三电平拓扑中的是非常必要的功能。在一些故障状态下，必须要有有源钳位进行防护。

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