图6-46 单桥臂中的换流过程

首先来看IGBT中的du/dt保护。

在电压型的变换器中，取其中一个桥臂作为分析对象，如图6-46所示。假设桥臂输出接的是感性负载，相对于桥臂中的电流换流过程来说，负载中的电流变化时间常数很大，即在桥臂电流换流过程中，负载电流的方向和大小可以认为不变。为表述方便，将IGBT中的主管部分分别用Q₁和Q₂表示，两个IGBT的反并联二极管分别用D₁和D₂表示。

不失一般性，假设两个IGBT的状态为关断状态，负载电流为负，即流入桥臂。显然此时负载电流是通过反并联二极管D₁流入到直流母线（此时不必关心负载的电流是从何处流入的），当Q₂被触发开通后，D₁中的电流向Q₂换流。D₁中的电流逐渐减小，并出现反向流通的反向恢复过程，如图6-47所示。

设R_G和L_G是驱动电路门极的串联电阻和连线电感，R_Gi和L_Gi是IGBT内部等效的串联电阻和电感。在D₁的反向恢复过程中，反向恢复电压存在较大的du/dt，该du/dt同时施加到了与其并联的Q₁上，表现为正向阻断电压的变化。该电压变化有可能比Q₁自己关断电流产生u_CE中的电压变化率还大。它会在IGBT集电极-栅极电容上产生流入门极驱动电路的电流i_D，如图6-48所示。该电流流经门极电路到达IGBT的发射极，在图中的G、E两点感应产生电压u_GE。如果IGBT关断的栅极负电压U_GE（off）和门极电路和连线设计不合理，则会出现u_GE的峰值大于IGBT的开启电压U_GE（th）。此时Q1将被误触发导通，与已经导通的Q₂一起构成桥臂短路。

图6-47 换流过程Q₂和 D₁的电压电流示意图

通过对图6-48的分析可以看出，要避免这种误触发而采取的du/dt保护措施为

图6-48 IGBT栅极的du/dt效应

1）保持一个绝对值足够大的U_GE（off），一般的IGBT推荐的U_GE（off）在-15～-5V；

2）在阻断状态，保持IGBT的栅极有一个较小的R_G；

3）尽量降低IGBT栅极连线的等效电感。

然后来看IGBT变换器中的过电流保护。图6-49中给出了一个基于IGBT的三相两电平逆变器的电路示意图，图中标出了可能检测到故障电流的测试点。

故障电流的检测可以做如下的划分：

1）过电流，在检测点①～⑦都可以检测；

2）桥臂直通检测，可以在①～④和⑥～⑦点检测；

3）负载短路检测，可以在①～⑦点检测；

4）对地短路，可以在①、③、⑤、⑥点检测，或者计算①，②点的差来检测。(www.daowen.com)

其中，桥臂直通指的是同一桥臂的正负母线之间发生短路，负载短路指的是负载的三相之间发生短路，对地短路指的是逆变桥上的某点对大地短路。

在图6-49中的7个检测中，①～⑤可以使用外加的电流检测器件来检测电流。一般电流检测有两种形式。一种是使用分流器，即将电流变成电压信号再送到相应的检测电路中。这种方法的特点是测量方法简单，成本低，需要使用低阻值的无感（低感）的功率电阻，测量电路对干扰高度灵敏，测量信号与主电路不隔离。另一种方法是使用电流传感器，其特点是电路相对复杂，成本高，测量精度高，不易受干扰，测量电路与主电路隔离。

图6-49 基于IGBT的三相两 电平逆变器过电流检测点

在高性能的变换器中，以使用电流传感器的方式为主，同时考虑到直流母线的机械结构紧凑对器件换流的有利影响，在①～④测试点安装会破坏紧凑性，一般在变换器的⑤测试点安装电流传感器。该电流信息不但可以用于保护系统的过电流保护，也是高性能变换器输出电流反馈的重要来源。

在⑥、⑦测试点，故障电流的检测可以直接在IGBT的端子上进行。一般使用的是u_CE（sat）检测法。u_CE（sat）检测法的电路示意图如图6-50所示，其主要应用的是IGBT饱和压降与其流通电流的关系，通过检测饱和压降u_CE（sat）间接来得到IGBT流经的电流信息。一个快速的高压二极管（有时也用多只二极管串联）用于检测IGBT的集电极-发射极电压，当器件处于稳定导通状态，检测到的电压会跟一个可设定的电压参考值相比较。如果超出参考值，则产生故障标志，并使驱动电路发出关断IGBT的动作。这种方式的过电流检测和保护动作非常适合电流短时间过电流的判断。

图6-50 u_CE（sat）检测法测电流

图6-50中给出的是u_CE（sat）检测法的原理图，实际电路和控制逻辑要复杂很多，比如在IGBT被控制开通后，一般要从高阻断电压到低通态压降之间需要一个集电极电压下降的过程，该过程中的集电极电压会在一段时间内大于参考电压。所以在IGBT开通的开始时间内，存在一定的锁定时间使IGBT的过电流保护不起作用，这个锁住时间一般不超过10μs。另外器件饱和压降对温度的依赖性以及参数的离散性都对u_CE（sat）检测法有负面影响。

以一个实际的380V/55kW变换器为例，采用u_CE（sat）检测法对IGBT进行过电流保护，当变换器所带负载过流，即电流的变化率不大时，过电流保护动作的波形如图6-51所示。此时实际关断的电流跟保护设计阈值相差不大。

图6-51 负载过电流时IGBT过电流动作波形

变换器中的桥臂直通实验过程是将桥臂中的IGBT通过很短的粗铜线将其短路，对另外一个IGBT发开通信号并维持，实验波形如图6-52所示。可以看出，桥臂直通时，IGBT中的电流以极快的速率增长，即使已经超出了过电流保护阈值，在保护电路检测、执行和器件动作的延迟时间内仍在维持快速增加，IGBT真正动作时关断电流已经超出1000A。所以在桥臂直通短路保护中，保护电路检测、执行和器件动作的延迟时间总和一定要在几个μs内。

图6-52 桥臂直通时IGBT过电流动作波形

而IGBT变换器中的过电压保护监测则更简单。通常在IGBT变换器中，如无特殊需要，一般不检测交流输出电压，而是直接检测直流母线电压，即①和②测点的电位差。采用的检测方法有几种，一种是采用电压传感器，其特点是与主电路隔离、测量精度高、成本高；还有的使用电阻分压+压频转换+光耦隔离的方法，其特点是与主电路隔离、成本较低、需要控制系统配合。当检测到直流母线电压超过了所设定的参考值，则采用相应的保护措施，一般为关断所有的IGBT，如有直流母线放电电路，则启动放电电路来释放直流母线电容的能量，降低母线电压。一般的直流母线还采取欠电压保护，很多变换器的辅助控制电源和驱动电源都从直流母线取电，过低的直流母线电压会影响这些辅助电源的工作，所以设置欠电压保护。

IGBT的栅极电压同样需要保护，确保其最大的栅极-发射极电压不被超过，一般可以采用如图6-53所示的保护电路。

图6-53 栅极过电压保护电路