IGBT IPM的短路电流保护功能（SCP）

IGBT IPM的短路电流保护功能（SCP）

IGBT IPM（智能功率模块）的短路电流保护功能（SCP）是确保系统安全运行的关键技术。本文详细介绍了SCP的工作原理、实现方法以及相关参数的设置，包括分流电阻值和RC滤波器时间常数的计算。对于从事电力电子、电机驱动等相关领域的工程师和技术人员具有较高的参考价值。

IGBT IPM的短路电流保护功能（SCP）

本文的关键要点

• 短路电流保护功能（SCP）是通过在IPM外部连接分流电阻并将电阻产生的电压反馈至CIN引脚电路的功能。
• CIN引脚需要用RC滤波器来防止误动作。
• 短路电流保护仅作用于下桥臂。
• 当短路电流保护功能启动时，需要立即停止运行，避免异常状态。
• 分流电阻值和RC滤波器的时间常数先根据所提供的公式参考推荐值进行设置，最终需要在实际应用产品上确认工作情况后来决定。

短路电流保护功能（SCP）的实现原理

通过在IPM外部连接分流电阻（电流检测用电阻），并将该电阻产生的电压反馈至CIN引脚，可实现短路电流保护（SCP：Short Circuit Protection）。当保护工作启动时，会关断下侧桥臂各相IGBT，并输出FO信号。为防止开关过程中的反向恢复电流和噪声引起误动作，需要在CIN引脚输入端安装RC滤波器（下图虚线椭圆中的R2和C9）。推荐时间常数为1.0μs。

短路电流保护功能的工作时序

下面是短路电流保护功能（SCP）的工作时序和时序图。a1～a9的工作说明是时序图中对应编号处的动作。

1. a1：正常工作过程中，IGBT导通时流过输出电流Ic
2. a2：过流检测（SCP）触发器。设置合适的关断时间，通过RC时间常数设置实现在2μs以内（建议1.0μs）关断电流
3. a3：关断下侧桥臂各相的栅极（软关断）
4. a4：关断下侧桥臂各相的IGBT
5. a5：当FO输出（45µs Min）、SCP=H在45μs以内时。如果SCP=H在45μs以上，在SCP=H期间输出FO（FO＝L）
6. a6：LIN=L
7. A7：即使LIN=H，在SCP=H期间IGBT也会关断
8. a8：FO输出结束（返回H）。即使在LIN=H（虚线）、SCP从H变为L时，直到下一个LIN上升沿IGBT仍保持关断状态（通过LIN对各相输入，各相恢复正常状态）
9. a9：正常工作。IGBT导通，流过输出电流Ic

注意事项

• 短路电流保护功能仅作用于下桥臂。
• 如果短路电流保护功能启动，并发生错误输出，需要立即停止运行，以免出现异常状态。

短路保护的分流电阻值设置

本节将介绍前面的框图中虚线圈出的“Shunt Resistor”（以下称“分流电阻”）的电阻值设置方法。分流电阻值RSHUNT可利用以下公式，根据短路电流保护触发电压VSC和保护电流设置值ISCP进行设置。

考虑到分流电阻和VSC的变化（波动），需要将ISCP的最大值设置为小于或等于IGBT饱和电流最小值的值。IPM的短路保护推荐设置值为额定电流的2.7倍以下。

例如，对于BM63375S而言，使ISCP为54A（额定电流20A×2.7）时的设置方法如下。下表中列出了VSC的变化（波动）（Tj=25℃、VCC=15V）。

考虑到变化（波动），分流电阻值RSHUNT和短路电流保护设置值ISCP之间的关系如下：

根据(3)得出：

假设分流电阻的波动为±5%，则：

通过上面的计算可知，Tj=25℃、VCC=15V时ISCP的工作范围如下表所示：

根据外部布线的寄生电感和电容引起的谐振波形，有些情况下当电流低于设置值时，保护功能可能会启动。所需最终还是需要基于在实际应用产品上进行的详细评估来调整分流电阻值。

短路保护的RC时间常数设置

正如“IGBT IPM的短路电流保护功能（SCP）”一节中提到的，为了防止分流电阻产生的噪声引发短路电流保护电路误动作，需要在CIN引脚输入端安装RC滤波器（前面框图中虚线椭圆圈出的R2和C9）。RC时间常数τ是根据噪声施加时间和IGBT负载短路耐受时间来设置的。推荐值为τ=1.0μs。

分流电阻产生超过VSC电平的电压后，到VSC电压经由RC滤波器电路施加给CIN引脚的时间t1，可通过下面的公式来计算：

另外，从CIN引脚达到VSC电平后，到IGBT栅极关闭为止，需要如下所示的IPM内部延迟时间t2：

因此，从发生短路到IGBT栅极关闭的时间ttotal如下：

请通过实际应用产品进行详细评估后，再确定能够使ttotal在IGBT负载短路耐受时间范围内的RC时间常数。