一种新型的IGBT短路保护电路的设计
发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:391
摘要：提出了一种直接检测ｉｇｂｔ发生短路故障的方法，在详细分析ｉｇｂｔ短路检测原理的基础上给出了相应的ｉｇｂｔ短路保护电路。仿真及实验结果均证明该电路工作稳定可靠，能很好地对ｉｇｂｔ实施有效的保护。
关键词：ｉｇｂｔ 短路保护 电路设计
固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言，电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外，还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。
ｉｇｂｔ是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件开关频率高广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当，它很容易损坏。一般认为ｉｇｂｔ损坏的主要原因有两种：一是ｉｇｂｔ退出饱和区而进入了放大区使得开关损耗增大；二是ｉｇｂｔ发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使ｉｇｂｔ损坏。ｉｇｂｔ的保护通常采用快速自保护的办法即当故障发生时，关断ｉｇｂｔ驱动电路，在驱动电路中实现退饱和保护；或者当发生短路时，快速地关断ｉｇｂｔ。根据监测对象的不同ｉｇｂｔ的短路保护可分为ｕｇｅ监测法或ｕｃｅ监测法二者原理基本相似都是利用集电极电流ｉｃ升高时ｕｇｅ或ｕｃｅ也会升高这一现象。当ｕｇｅ或ｕｃｅ超过ｕｇｅｓａｔ或ｕｃｅｓａｔ时，就自动关断ｉｇｂｔ的驱动电路。由于ｕｇｅ在发生故障时基本不变，而ｕｃｅ的变化较大并且当退饱和发生时ｕｇｅ变化也小难以掌握因而在实践中一般采用ｕｃｅ监测技术来对ｉｇｂｔ进行保护。本文研究的ｉｇｂｔ保护电路，是通过对ｉｇｂｔ导通时的管压降ｕｃｅ进行监测来实现对ｉｇｂｔ的保护。
采用本文介绍的ｉｇｂｔ短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。
１ 短路保护的工作原理
图１(ａ)所示为工作在ｐｗｍ整流状态的ｈ型桥式ｐｗｍ变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只ｉｇｂｔ未画出），图１(ｂ)为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相ｐｗｍ电路，在整流、逆变工作状态或单相ｄｃ／ｄｃ工作状态下，ｐｗｍ电路的分析过程及结论基本类似）。
在图１所示的电路中，在市电电源ｕｓ的正半周期，将ｕｇ２.４所示的高频驱动信号加在下半桥两只ｉｇｂｔ的栅极上，得到管压降波形ｕｔ２ｄ。其工作过程分析如下：在ｔ１～ｔ２时刻，受驱动信号的作用,ｔ２、ｔ４导通（实际上是ｔ２导通, ｄ４处于续流状态），在ｕｓ的作用下通过电感ｌｓ的电流增加，在ｔ２管上形成如图１（ｂ）中ｕｔ２ｄ所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在ｉｇｂｔ导通时的体电阻上产生的压降；在ｔ２～ｔ３时刻，ｔ２、ｔ４关断，由于电感ｌｓ中有储能，因此在电感ｌｓ的作用下，二极管ｄ２、ｄ４续流，形成图１（ｂ）中ｕｔ２.ｄ的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到ｉｇｂｔ导通时的管压降的值，应该将在ｔ１～ｔ２时刻ｉｇｂｔ导通时的管压降保留，而将在ｔ２～ｔ３时刻检测到的ｉｇｂｔ的管压降的值剔除，即将图１（ｂ）中ｕｔ２.ｄ的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于ｉｇｂｔ的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。
图2 igbt短路保护电路原理图
根据以上的分析可知，在正常情况下，ｉｇｂｔ导通时的管压降ｕｃｅ(ｓａｔ)的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据ｕｃｅ(ｓａｔ)的额定值。但是，如果ｈ型桥式变换电路发生故障（如同一侧桥臂上的上下两只ｉｇｂｔ同时导通的 “直通”现象），则这时在下管ｉｇｂｔ的ｃ～ｅ极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对ｉｇｂｔ进行保护的依据，从而对ｉｇｂｔ实施有效的保护。
２ 短路保护电路的设计
由对图１所示电路的分析，可以得到ｉｇｂｔ短路保护电路的原理电路图，如图２所示。在图２所示电路中ｉｃ４及其外围器件构成选通逻辑电路，由ｉｃ５及其外围器件构成滤波及放大电路，ｉｃ２及其外围器件构成门限比较电路，ｉｃ１及其外围器件构成保持电路。正常情况下，ｄ１、ｄ２、ｄ３的阴极所连接的ｉｃ２ｄ、
摘要：提出了一种直接检测ｉｇｂｔ发生短路故障的方法，在详细分析ｉｇｂｔ短路检测原理的基础上给出了相应的ｉｇｂｔ短路保护电路。仿真及实验结果均证明该电路工作稳定可靠，能很好地对ｉｇｂｔ实施有效的保护。
关键词：ｉｇｂｔ 短路保护 电路设计
固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言，电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外，还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。
ｉｇｂｔ是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件开关频率高广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当，它很容易损坏。一般认为ｉｇｂｔ损坏的主要原因有两种：一是ｉｇｂｔ退出饱和区而进入了放大区使得开关损耗增大；二是ｉｇｂｔ发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使ｉｇｂｔ损坏。ｉｇｂｔ的保护通常采用快速自保护的办法即当故障发生时，关断ｉｇｂｔ驱动电路，在驱动电路中实现退饱和保护；或者当发生短路时，快速地关断ｉｇｂｔ。根据监测对象的不同ｉｇｂｔ的短路保护可分为ｕｇｅ监测法或ｕｃｅ监测法二者原理基本相似都是利用集电极电流ｉｃ升高时ｕｇｅ或ｕｃｅ也会升高这一现象。当ｕｇｅ或ｕｃｅ超过ｕｇｅｓａｔ或ｕｃｅｓａｔ时，就自动关断ｉｇｂｔ的驱动电路。由于ｕｇｅ在发生故障时基本不变，而ｕｃｅ的变化较大并且当退饱和发生时ｕｇｅ变化也小难以掌握因而在实践中一般采用ｕｃｅ监测技术来对ｉｇｂｔ进行保护。本文研究的ｉｇｂｔ保护电路，是通过对ｉｇｂｔ导通时的管压降ｕｃｅ进行监测来实现对ｉｇｂｔ的保护。
采用本文介绍的ｉｇｂｔ短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。
１ 短路保护的工作原理
图１(ａ)所示为工作在ｐｗｍ整流状态的ｈ型桥式ｐｗｍ变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只ｉｇｂｔ未画出），图１(ｂ)为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相ｐｗｍ电路，在整流、逆变工作状态或单相ｄｃ／ｄｃ工作状态下，ｐｗｍ电路的分析过程及结论基本类似）。
在图１所示的电路中，在市电电源ｕｓ的正半周期，将ｕｇ２.４所示的高频驱动信号加在下半桥两只ｉｇｂｔ的栅极上，得到管压降波形ｕｔ２ｄ。其工作过程分析如下：在ｔ１～ｔ２时刻，受驱动信号的作用,ｔ２、ｔ４导通（实际上是ｔ２导通, ｄ４处于续流状态），在ｕｓ的作用下通过电感ｌｓ的电流增加，在ｔ２管上形成如图１（ｂ）中ｕｔ２ｄ所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在ｉｇｂｔ导通时的体电阻上产生的压降；在ｔ２～ｔ３时刻，ｔ２、ｔ４关断，由于电感ｌｓ中有储能，因此在电感ｌｓ的作用下，二极管ｄ２、ｄ４续流，形成图１（ｂ）中ｕｔ２.ｄ的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到ｉｇｂｔ导通时的管压降的值，应该将在ｔ１～ｔ２时刻ｉｇｂｔ导通时的管压降保留，而将在ｔ２～ｔ３时刻检测到的ｉｇｂｔ的管压降的值剔除，即将图１（ｂ）中ｕｔ２.ｄ的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于ｉｇｂｔ的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。
图2 igbt短路保护电路原理图
根据以上的分析可知，在正常情况下，ｉｇｂｔ导通时的管压降ｕｃｅ(ｓａｔ)的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据ｕｃｅ(ｓａｔ)的额定值。但是，如果ｈ型桥式变换电路发生故障（如同一侧桥臂上的上下两只ｉｇｂｔ同时导通的 “直通”现象），则这时在下管ｉｇｂｔ的ｃ～ｅ极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对ｉｇｂｔ进行保护的依据，从而对ｉｇｂｔ实施有效的保护。
２ 短路保护电路的设计
由对图１所示电路的分析，可以得到ｉｇｂｔ短路保护电路的原理电路图，如图２所示。在图２所示电路中ｉｃ４及其外围器件构成选通逻辑电路，由ｉｃ５及其外围器件构成滤波及放大电路，ｉｃ２及其外围器件构成门限比较电路，ｉｃ１及其外围器件构成保持电路。正常情况下，ｄ１、ｄ２、ｄ３的阴极所连接的ｉｃ２ｄ、
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