本文主要讨论了低压中功率系统中IGBT的几种常见短路保护方法，重点介绍了Vce的检测方法。文中简要阐述了短路保护的工作原理和保护电路设计的合理性。
短路保护方案简介
在常见的短路保护设计中，电流采样主要有三种方法： N-BUS（中性线）并联电阻检测、输出霍尔检测和Vce电压检测。
通过在母线电路中串联一个阻值很小的电阻器，利用电压信号，根据欧姆定律判断是否发生短路。
- 该方法具有较高的准确度和灵敏度，能够防止对地短路。
- 缺点是它只适用于低功率机器，大电流需要电阻器消耗太多功率。
随着霍尔传感器的响应时间不断提高，它不仅具有转换电流大小的功能，还可以通过硬件电路实现短路电流保护。 由于霍尔检测的响应时间较长，其可靠性相对低于其他两种方法。此外，由于霍尔传感器安装在输出端，因此无法防止上下管直接连接。
光耦合器通过检测共射极电压 (CE) 来保护 IGBT 。根据 Vce 和 Ic 的关系，当 Ic 快速上升时，Vce 也相应上升。当 Vce 值上升到保护点电压时，光耦合器会自动实现软关断，并同时向 DSP 发送错误信号。整个过程通常持续5-10 微秒。由于这种保护方式灵敏度很高但精度较差，因此仅适用于短路保护。
图 2 是 GD200HFL120C2S 的 Vce 和 Ic 之间的关系。
随着Vce的增大，IC的幅值也随之增大。在+7V电压下，Ic实际上远大于模块的短路电流。在进行动态短路测试时，L、Vg、tr和tf等参数会得到严格且稳定的控制。如图3所示，电流通常控制在Ic的8-10倍。然而，在对系统进行短路测试时，由于开关特性、回路负载和干扰等因素，电流往往会更高。
常用短路保护驱动光耦合器
（I）PC929
PC929是逆变器行业常用的驱动光耦合器，具有短路保护功能（PC923没有此功能）。由于其输出峰值电流仅为0.4A ，驱动大功率IGBT时，需要通过后端电子管对进行放大才能驱动IGBT。PC929能够驱动的具体电流取决于所选电子管对。只要PC929能够驱动该电子管对，且该电子管对也能驱动IGBT，即可实现驱动。
图3为PC929的内部保护电路：
- 当 IGBT 关闭时，引脚 9 C 的电压被拉低至零。
- 当IGBT导通时，Vcc通过Rc对Cp充电。当充电电压超过+7V时，O2输出被软关闭，同时FS向CPU发送错误信号。FS为低电平有效，Cp的充电速度由Rc和Cp决定。
- 当 IGBT 关闭时，C 会迅速再次被拉低，并且拉低的速度比 IGBT 关闭的速度快得多。
图3是PC929的内部保护电路。
很多人反映PC929容易发生故障，但对故障机理却不太清楚。有人认为是保护时间太短，有人认为是IGBT的压降太大。让我们来探讨一下PC929发生故障的原因，这对于IGBT保护电路的设计至关重要。
理论上，Vce(sat)越大，IGBT在线性区达到保护电压+7V的速度就越快。这没错，但这并非故障原因。+7V饱和压降对应的Ic值远大于最大过载电流下的饱和压降，而一般芯片的压降通常小于1V。这种差异在非短路状态下不会导致故障。
当 IGBT 正常开启时，保护功能失效的主要原因是 IGBT 开启时 Vce 下降的时间，以及 Cp 的充电时间，如图 4 所示。
电源 Vcc 通过 Rc 给 Cp 充电，充电电压为 Ucp。
- 如果 Vce 沿路径 a 下降，则在 Ucp 达到 +7V 之前，Vce 将下降到 +7V 以下，并且引脚 9 的电压不会高于 +7V。
- 如果 Vce 沿路径 c 下降，当 Ucp 达到 +7V 时，Vce 将高于 +7V，引脚 9 处的电压检测将高于 +7V，短路保护将被触发。
结论：为避免开机过程中发生误操作，可以延长充电时间或加快开机速度。
（二）316J
316J 也被广泛用作 IGBT 驱动的光耦合器，并具有 Vce 检测功能。它与 PC929 的最大区别在于，316J 可以直接驱动 150A 模块，无需使用一对光管。在保护机制方面，它也与 PC929 非常相似，如图 5 所示：
- 当 IGBT 关闭时，DESAT (14) 通过高速 MOSFET 被拉至地。
- 当 IGBT 导通时，MOSFET 关闭，第 14 个引脚通过内部电流源和电容器充电。
- 当电压升至 +7V 以上时，316J 会受到保护。PC929 使用 Vcc 通过电阻器对电容器充电；而 316J 则直接通过内部电流源对电容器充电。
由于采用恒流源给电容器充电，因此可以更精确地计算充电时间：
t=CV/I，选择 C=100p
t=100p*7V/250uA=2.8us
这意味着，当开启时，Vce 必须在 2.8us 内降至 +7V 以下，否则它将无法正常工作。
图 5
（III）M57959/M57962
三菱的M57959和M57962也是集成了驱动电路的模块，并具有短路保护功能。与PC929和316J不同，三菱将光耦合器和外围元件封装在一起，用户只需安装即可。
- 其优点是集成度高，安装简便。
- 缺点是无法更改设备的内部参数。
根据M57962的相关数据，当IGBT导通时，它会通过Vcc对电容充电，然后将其与参考电压Vtrip进行比较，以判断是否短路，这与PC929类似。通过改变外部电容Ctrip来调整延时时间，可以调整保护时间，从而避免误启动操作。
图 6
短路保护实验简介
根据短路形式，短路保护可分为相间短路和相对短路。然而，无论何种短路，电流要流通都需要形成回路，因此在设计短路保护时，可以在回路的任意位置进行检测，当然检测效果也会有所不同。我们通常选择检测Vce电压，因为它相对有效且可靠。
在逆变器行业的相间短路保护测试中，存在先短路后运行和先运行后短路两种情况。前者的短路条件相对简单，输出端已经短路。
当导通信号到达时，电流开始上升；后一种情况则更为复杂。当系统已经运行时，短路位置可能位于工作周期的任何时刻，因此每次短路的波形也大相径庭。那么，哪种保护方式的电流更大呢？经过系统测试，我们发现运行中短路时的电流可能更高。原因是IGBT导通时发生短路，Vg会上升得更多，而线性区的Ic主要受Vg的影响。
指数=Cres*dv/dt
△Vg=Ires*(Rg+Rint)
Ic=K(Vg-Vth)2
图 7 显示了在动态测试仪上测得的短路波形。我们发现，短路电流 Isc 稳定上升后，其上升速度受到芯片自身的限制。在整个过程中，栅极电压 Vg 的变化并不显著。
图 7
--t1：dv/dt 继续影响 Vg；Isc 处于上升阶段，斜率由寄生负载电感 L 决定，Isc=K(Vg-Vth)2
--t2：dv/dt 不再影响 Vg，Vg 减小，Isc 随 Vg 减小。
--t3：Vg 稳定，Isc 稳定。
--t4：IGBT 关闭，Isc 减小，Vce=Vdc+di/dt*Lbus，因此出现电压过冲。
图 8
概括
简而言之，IGBT是电力电路中重要的换向器件。一旦发生事故，极易发生爆炸，因此IGBT的保护尤为重要。IGBT发生短路的概率虽然不高，但如果发生短路且未能及时得到保护，后果将不堪设想。明确IGBT短路保护原理及其工作方式，有助于设计合理的保护电路，在不影响系统正常运行的前提下，及时保护IGBT 。