IGBT 模块三电平电路：故障时关管顺序的新见解

当电路发生短路故障或过流故障时，如何正确地关断 IGBT 成为了一个关键问题。本文将详细探讨 IGBT 模块三电平电路故障时的关管顺序，并介绍一种利用有源钳位功能的创新解决方案。

传统关管顺序及其原理

在 1 字形二极管钳位三电平电路中，传统的关断 IGBT 的做法是，当检测到故障的驱动器把故障信息传递给控制器后，控制器先把外管关断，再关断内管。这种特定的关断顺序是有其原因的。

如果错误地先把内管关断，内管 IGBT 就会承担整个母线电压，这会导致内管严重过压而马上损坏。而如果先关外管，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，内管就能够安全地关断。

从三电平电路故障时的传统关管顺序的时序关系来看，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（8.5us 短路响应时间 + 2us 确认时间）。需要注意的是，这个时间还是理论上的最短时间，并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。

利用有源钳位功能的创新方案

利用有源钳位功能提供的优势，可以忽略 1 字形三电平的传统关管顺序。当 IGBT 检测到故障时，无论是内管还是外管，都可以马上把对应的 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。为了验证这一创新性的提法，进行了一系列验证实验。

三电平电路中有源钳位功能的有效性研究

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。实验选用了某 1 字型三电平模块的 IGBT，其驱动装备了有源钳位功能，并将有源钳位门槛（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）。
实验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。

1. 实验一：在 MP 与 0 点间建立短路路径

• 所有 IGBT 处于关断状态，Vdc = 870V。

• 开通 S3。

• 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。

• 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。

• 短路电流为 0，有源钳位自然结束。

1. 实验二：在 MP 与 P 之间建立短路路径

• 所有 IGBT 处于关断状态，Vdc = 550V。

• 开通 S3，开始出现短路电流。

• 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。

• 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。

• Vce4 开始上升，即 S4 开始退出饱和区。

• 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。

• 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。

1. 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。

• 所有 IGBT 处于关断状态，Lload = 65uH，Vdc = 870V。

• 打开 S3。

• 打开 S4，负载电流直线上升。

• 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。

• 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。

• 关断 S4，Ic4 被切断，IL 得以被 D1、D2 续流，故障状态结束。

传统故障管理方法的漏洞及有源钳位的必要性

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