摘 ?要： 提出了一種直接檢測(cè)IGBT發(fā)生短路故障的方法,在詳細(xì)分析IGBT短路檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上給出了相應(yīng)的IGBT短路保護(hù)" title="短路保護(hù)">短路保護(hù)電路。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均證明該電路工作穩(wěn)定可靠,能很好地對(duì)IGBT實(shí)施有效的保護(hù)。

　　關(guān)鍵詞： IGBT? 短路保護(hù)? 電路設(shè)計(jì)

　　固態(tài)電源的基本任務(wù)是安全、可靠地為負(fù)載提供所需的電能。對(duì)電子設(shè)備而言,電源是其核心部件。負(fù)載除要求電源能供應(yīng)高質(zhì)量的輸出電壓外,還對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性等提出更高的要求。

　　IGBT是一種目前被廣泛使用的具有自關(guān)斷能力的器件, 開(kāi)關(guān)頻率高, 廣泛應(yīng)用于各類(lèi)固態(tài)電源中。但如果控制不當(dāng),它很容易損壞。一般認(rèn)為IGBT損壞的主要原因有兩種:一是IGBT退出飽和區(qū)而進(jìn)入了放大區(qū), 使得開(kāi)關(guān)損耗增大;二是IGBT發(fā)生短路,產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流,從而使IGBT損壞。IGBT的保護(hù)通常采用快速自保護(hù)的辦法, 即當(dāng)故障發(fā)生時(shí),關(guān)斷IGBT驅(qū)動(dòng)電路,在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)退飽和保護(hù);或者當(dāng)發(fā)生短路時(shí),快速地關(guān)斷IGBT。根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同, IGBT的短路保護(hù)可分為U_ge監(jiān)測(cè)法或U_ce監(jiān)測(cè)法, 二者原理基本相似, 都是利用集電極電流IC升高時(shí)U_ge或U_ce也會(huì)升高這一現(xiàn)象。當(dāng)U_ge或U_ce超過(guò)U_ge(sat)或U_ce(sat)時(shí),就自動(dòng)關(guān)斷IGBT的驅(qū)動(dòng)電路。由于Uge在發(fā)生故障時(shí)基本不變,而Uce的變化較大, 并且當(dāng)退飽和發(fā)生時(shí), U_ge變化也小, 難以掌握, 因而在實(shí)踐中一般采用U_ce監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)。本文研究的IGBT保護(hù)電路,是通過(guò)對(duì)IGBT導(dǎo)通" title="導(dǎo)通">導(dǎo)通時(shí)的管壓降U_ce進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的保護(hù)。

　　采用本文介紹的IGBT短路保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù),同時(shí)又可以節(jié)省檢測(cè)短路電流所需的霍爾電流傳感器,降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。實(shí)踐證明,該電路有比較大的實(shí)用價(jià)值,尤其是在低直流母線電壓的應(yīng)用場(chǎng)合,該電路有廣闊的應(yīng)用前景。該電路已經(jīng)成功地應(yīng)用在某型高頻逆變器中。

1 短路保護(hù)的工作原理

　　圖1(a)所示為工作在PWM整流狀態(tài)的H型橋式PWM變換電路(此圖為正弦波正半波輸入下的等效電路,上半橋" title="半橋">半橋的兩只IGBT未畫(huà)出),圖1(b)為下半橋兩只大功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)" title="驅(qū)動(dòng)信號(hào)">驅(qū)動(dòng)信號(hào)和相關(guān)的器件波形?，F(xiàn)以正半波工作過(guò)程為例進(jìn)行分析(對(duì)于三相PWM電路,在整流、逆變工作狀態(tài)或單相DC/DC工作狀態(tài)下,PWM電路的分析過(guò)程及結(jié)論基本類(lèi)似)。

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　　在圖1所示的電路中,在市電電源Us的正半周期,將U_g2,4所示的高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在下半橋兩只IGBT的柵極上,得到管壓降波形U_T2,D。其工作過(guò)程分析如下:在t1～t2時(shí)刻,受驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用, T₂、T₄導(dǎo)通(實(shí)際上是T₂導(dǎo)通,D₄處于續(xù)流狀態(tài)),在Us的作用下通過(guò)電感LS的電流增加,在T2管上形成如圖1(b)中U_T2,D所示的按指數(shù)規(guī)律上升的管壓降波形,該管壓降是通態(tài)電流在IGBT導(dǎo)通時(shí)的體電阻上產(chǎn)生的壓降;在t₂～t₃時(shí)刻,T₂、T₄關(guān)斷,由于電感LS中有儲(chǔ)能,因此在電感LS的作用下,二極管D2、D4續(xù)流,形成圖1(b)中UT2, D的陰影部分所示的管壓降波形,以此類(lèi)推。分析表明,為了能夠檢測(cè)到IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降的值,應(yīng)該將在t₁～t2時(shí)刻IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降保留,而將在t2~t3時(shí)刻檢測(cè)到的IGBT的管壓降的值剔除,即將圖1(b)中UT2, D的陰影部分所示的管壓降波形剔除。由于IGBT的開(kāi)關(guān)頻率比較高,而且存在較大的開(kāi)關(guān)噪聲,因此在設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)應(yīng)給予足夠的考慮。

　　根據(jù)以上的分析可知,在正常情況下,IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降U_ce(sat)的值都比較低,通常都小于器件手冊(cè)給出的數(shù)據(jù)U_ce(sat)的額定值。但是,如果H型橋式變換電路發(fā)生故障(如同一側(cè)橋臂上的上下兩只IGBT同時(shí)導(dǎo)通的 “直通”現(xiàn)象),則這時(shí)在下管IGBT的C～E極兩端將會(huì)產(chǎn)生比正常值大很多的管電壓。若能將此故障時(shí)的管壓降值快速地檢測(cè)出來(lái),就可以作為對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)的依據(jù),從而對(duì)IGBT實(shí)施有效的保護(hù)。

2 短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　由對(duì)圖1所示電路的分析,可以得到IGBT短路保護(hù)電路的原理電路圖,如圖2所示。在圖2所示電路中, IC4及其外圍器件" title="外圍器件">外圍器件構(gòu)成選通邏輯電路,由IC5及其外圍器件構(gòu)成濾波及放大電路,IC2及其外圍器件構(gòu)成門(mén)限比較電路,IC1及其外圍器件構(gòu)成保持電路。正常情況下,D1、D2、D3的陰極所連接的IC2D、IC2C及CD4011的輸出均為高電平,IC1的輸出狀態(tài)不會(huì)改變。假設(shè)由于某種原因,在給T2發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)候,H型橋式PWM變換電路的左半橋下管T2的管壓降異常升高(設(shè)電平值為“高”),即T2-d端電壓異常升高,則該高電平UT2-d通過(guò)R2加在D8的陰極;同時(shí),發(fā)給T2的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)也加在二極管D5的陰極。對(duì)IC2C來(lái)說(shuō),其反相輸入端為高電平,若該電平值大于同相輸入端的門(mén)檻電平值的話,則IC2C輸出為“低”。該“低”電平通過(guò)D2加在R-S觸發(fā)器IC1的R輸入端,使其輸出端Q的輸出電平翻轉(zhuǎn),向控制系統(tǒng)發(fā)出IGBT故障報(bào)警信號(hào)。如果是由于右半橋下管T4的管壓降異常升高而引起IC2D輸出為“低”,則該“低”電平通過(guò)D1加在R-S觸發(fā)器IC1的R輸入端,使其輸出端Q的輸出電平翻轉(zhuǎn),向控制系統(tǒng)發(fā)出IGBT故障報(bào)警信號(hào)。由IC5A和IC5C及其外圍器件構(gòu)成的濾波及放大電路將選通電路送來(lái)的描述IGBT管壓降的電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后,送給由IC5B構(gòu)成的加法器進(jìn)行運(yùn)算處理。若加法器的輸出電平大于由R22和R32確定的門(mén)檻電平,則會(huì)使R-S觸發(fā)器IC1的R端的第三個(gè)輸入端為“低”,也向控制系統(tǒng)發(fā)出IGBT故障報(bào)警信號(hào)。改變由R22和R32確定的門(mén)檻電平,就可以靈活地改變這第三路報(bào)警信號(hào)所代表的物理意義,從而靈活地設(shè)計(jì)保護(hù)電路。圖2中的端子T4-d、T2-d,分別接在T4、T2的集電極上,T4-G、T2-G分別接IGBT器件T4、T2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意的是,D8、D5、D9、D4必須采用快速恢復(fù)二極管。

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3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　當(dāng)圖1所示的PWM變換器工作在單相高頻整流模式下,應(yīng)用PSPICE仿真軟件對(duì)圖2所示的電路進(jìn)行仿真研究,可以得到如圖3所示的結(jié)果。圖3所示的仿真波形相當(dāng)于在圖2電路中IC5B的第7腳觀察到的信號(hào)波形。仿真結(jié)果表明,檢測(cè)電路可以快速、有效地將PWM變換器的下管導(dǎo)通時(shí)的管壓降檢測(cè)出來(lái)。圖4所示波形是實(shí)際電路工作時(shí)檢測(cè)到的相關(guān)波形。圖中,1#通道顯示的是單相高頻整流電感電流的給定波形,2#通道顯示的是實(shí)際檢測(cè)到的圖2電路中IC5B的第7腳的工作波形。比較圖3和圖4可以得出,該檢測(cè)電路可以快速、有效地檢測(cè)出IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降,從而對(duì)IGBT實(shí)施有效的保護(hù)。

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　　圖5所示為IGBT過(guò)流時(shí)實(shí)際檢測(cè)到的PFC電感中流過(guò)的電流及保護(hù)電路動(dòng)作的波形。

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　　電路實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明,本文介紹的IGBT短路保護(hù)電路可以有效地對(duì)IGBT實(shí)施保護(hù),成本低,動(dòng)作可靠。實(shí)踐證明,該電路有比較大的實(shí)用價(jià)值,尤其是在低直流母線電壓的應(yīng)用場(chǎng)合,該電路有廣闊的應(yīng)用前景。該電路已經(jīng)成功地應(yīng)用在某型3KVA高頻逆變器中。

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參考文獻(xiàn)

1 陳 堅(jiān).電力電子學(xué)—電力電子變換和控制技術(shù).北京:高等教育出版社, 2002