一種新型的IGBT短路保護電路的設計

　　摘要：提出了一種直接檢測ＩＧＢＴ發(fā)生短路故障的方法，在詳細分析ＩＧＢＴ短路檢測原理的基礎上給出了相應的ＩＧＢＴ短路保護電路。仿真及實驗結(jié)果均證明該電路工作穩(wěn)定可靠，能很好地對ＩＧＢＴ實施有效的保護。
　　關鍵詞：ＩＧＢＴ短路保護電路設計
　　
　　固態(tài)電源的基本任務是安全、可靠地為負載提供所需的電能。對電子設備而言，電源是其核心部件。負載除要求電源能供應高質(zhì)量的輸出電壓外，還對供電系統(tǒng)的可靠性等提出更高的要求。
　　
　�。桑牵拢允且环N目前被廣泛使用的具有自關斷能力的器件?開關頻率高?廣泛應用于各類固態(tài)電源中。但如果控制不當，它很容易損壞。一般認為ＩＧＢＴ損壞的主要原因有兩種：一是ＩＧＢＴ退出飽和區(qū)而進入了放大區(qū)?使得開關損耗增大；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的保護通常采用快速自保護的辦法?即當故障發(fā)生時，關斷ＩＧＢＴ驅(qū)動電路，在驅(qū)動電路中實現(xiàn)退飽和保護；或者當發(fā)生短路時，快速地關斷ＩＧＢＴ。根據(jù)監(jiān)測對象的不同?ＩＧＢＴ的短路保護可分為Ｕｇｅ監(jiān)測法或Ｕｃｅ監(jiān)測法?二者原理基本相似?都是利用集電極電流ＩＣ升高時Ｕｇｅ或Ｕｃｅ也會升高這一現(xiàn)象。當Ｕｇｅ或Ｕｃｅ超過Ｕｇｅ?ｓａｔ?或Ｕｃｅ?ｓａｔ?時，就自動關斷ＩＧＢＴ的驅(qū)動電路。由于Ｕｇｅ在發(fā)生故障時基本不變，而Ｕｃｅ的變化較大?并且當退飽和發(fā)生時?Ｕｇｅ變化也小?難以掌握?因而在實踐中一般采用Ｕｃｅ監(jiān)測技術來對ＩＧＢＴ進行保護。本文研究的ＩＧＢＴ保護電路，是通過對ＩＧＢＴ導通時的管壓降Ｕｃｅ進行監(jiān)測來實現(xiàn)對ＩＧＢＴ的保護。
　　
　　采用本文介紹的ＩＧＢＴ短路保護電路可以實現(xiàn)快速保護，同時又可以節(jié)省檢測短路電流所需的霍爾電流傳感器，降低整個系統(tǒng)的成本。實踐證明，該電路有比較大的實用價值，尤其是在低直流母線電壓的應用場合，該電路有廣闊的應用前景。該電路已經(jīng)成功地應用在某型高頻逆變器中。
　　
　　１短路保護的工作原理
　　
　　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，上半橋的兩只ＩＧＢＴ未畫出），圖１(ｂ)為下半橋兩只大功率器件的驅(qū)動信號和相關的器件波形。現(xiàn)以正半波工作過程為例進行分析（對于三相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電路的分析過程及結(jié)論基本類似）。
　　
　　在圖１所示的電路中，在市電電源Ｕｓ的正半周期，將Ｕｇ２.４所示的高頻驅(qū)動信號加在下半橋兩只ＩＧＢＴ的柵極上，得到管壓降波形ＵＴ２?Ｄ。其工作過程分析如下：在ｔ１～ｔ２時刻，受驅(qū)動信號的作用,Ｔ２、Ｔ４導通（實際上是Ｔ２導通,Ｄ４處于續(xù)流狀態(tài)），在Ｕｓ的作用下通過電感ＬＳ的電流增加，在Ｔ２管上形成如圖１（ｂ）中ＵＴ２?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導通時的體電阻上產(chǎn)生的壓降；在ｔ２～ｔ３時刻，Ｔ２、Ｔ４關斷，由于電感ＬＳ中有儲能，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，以此類推。分析表明，為了能夠檢測到ＩＧＢＴ導通時的管壓降的值，應該將在ｔ１～ｔ２時刻ＩＧＢＴ導通時的管壓降保留，而將在ｔ２～ｔ３時刻檢測到的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的開關頻率比較高，而且存在較大的開關噪聲，因此在設計采樣電路時應給予足夠的考慮。
　　
　　圖2IGBT短路保護電路原理圖
　　
　　根據(jù)以上的分析可知，在正常情況下，ＩＧＢＴ導通時的管壓降Ｕｃｅ(ｓａｔ)的值都比較低，通常都小于器件手冊給出的數(shù)據(jù)Ｕｃｅ(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同時導通的“直通”現(xiàn)象），則這時在下管ＩＧＢＴ的Ｃ～Ｅ極兩端將會產(chǎn)生比正常值大很多的管電壓。若能將此故障時的管壓降值快速地檢測出來，就可以作為對ＩＧＢＴ進行保護的依據(jù)，從而對ＩＧＢＴ實施有效的保護。
　　
　�。捕搪繁Ｗo電路的設計
　　
　　由對圖１所示電路的分析，可以得到ＩＧＢＴ短路保護電路的原理電路圖，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)不會改變。假設由于某種原因，在給Ｔ２發(fā)驅(qū)動信號的時候，Ｈ型橋式ＰＷＭ變換電路的左半橋下管Ｔ２的管壓降異常升高（設電平值為“高”），即Ｔ２－ｄ端電壓異常升高，則該高電平ＵＴ２－ｄ通過Ｒ２加在Ｄ８的陰極；同時，發(fā)給Ｔ２的高電平驅(qū)動信號也加在二極管Ｄ５的陰極。對ＩＣ２Ｃ來說，其反相輸入端為高電平，若該電平值大于同相輸入端的門檻電平值的話，則ＩＣ２Ｃ輸出為“低”。該“低”電平通過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故障報警信號。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故障報警信號。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的描述ＩＧＢＴ管壓降的電壓信號進行預處理后，送給由ＩＣ５Ｂ構(gòu)成的加法器進行運算處理。若加法器的輸出電平大于由Ｒ２２和Ｒ３２確定的門檻電平，則會使Ｒ－Ｓ觸發(fā)器ＩＣ１的Ｒ端的第三個輸入端為“低”，也向控制系統(tǒng)發(fā)出ＩＧＢＴ故障報警信號。改變由Ｒ２２和Ｒ３２確定的門檻電平，就可以靈活地改變這第三路報警信號所代表的物理意義，從而靈活地設計保護電路。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)動信號。在電路設計時應該特別注意的是，Ｄ８、Ｄ５、Ｄ９、Ｄ４必須采用快速恢復二極管。
　　
　�。撤抡婕皩嶒灲Y(jié)果
　　
　　當圖１所示的ＰＷＭ變換器工作在單相高頻整流模式下，應用ＰＳＰＩＣＥ仿真軟件對圖２所示的電路進行仿真研究，可以得到如圖３所示的結(jié)果。圖３所示的仿真波形相當于在圖２電路中ＩＣ５Ｂ的第７腳觀察到的信號波形。仿真結(jié)果表明，檢測電路可以快速、有效地將ＰＷＭ變換器的下管導通時的管壓降檢測出來。圖４所示波形是實際電路工作時檢測到的相關波形。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＃通道顯示的是實際檢測到的圖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，該檢測電路可以快速、有效地檢測出ＩＧＢＴ導通時的管壓降，從而對ＩＧＢＴ實施有效的保護。
　　
　　圖５所示為ＩＧＢＴ過流時實際檢測到的ＰＦＣ電感中流過的電流及保護電路動作的波形。
　　
　　電路實際運行結(jié)果證明，本文介紹的ＩＧＢＴ短路保護電路可以有效地對ＩＧＢＴ實施保護，成本低，動作可靠。實踐證明，該電路有比較大的實用價值，尤其是在低直流母線電壓的應用場合，該電路有廣闊的應用前景。該電路已經(jīng)成功地應用在某型３ＫＶＡ高頻逆變器中。
　　
　　
　　
　　

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