一種新型的IGBT短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

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(xì)分析ＩＧＢＴ短路檢測原理的基礎(chǔ)上給出了相應(yīng)的ＩＧＢＴ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開關(guān)頻率高廣泛應(yīng)用于各類固態(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)動電路，在驅(qū)動電路中實(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)測對象的不同ＩＧＢＴ的短路保護(hù)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(shí)Ｕｇｅ或Ｕｃｅ也會升高這一現(xiàn)象。當(dāng)Ｕｇｅ或Ｕｃｅ超過Ｕｇｅｓａｔ或Ｕｃｅｓａｔ時(shí)，就自動關(guān)斷ＩＧＢＴ的驅(qū)動電路。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)Ｕｇｅ變化也?、熾y以掌握因而在實(shí)踐中一般采用Ｕｃｅ監(jiān)測技術(shù)來對ＩＧＢＴ進(jìn)行保護(hù)。本文研究的ＩＧＢＴ保護(hù)電路，是通過對ＩＧＢＴ導(dǎo)通時(shí)的管壓降Ｕｃｅ進(jìn)行監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)對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(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(guān)的器件波形?，F(xiàn)以正半波工作過程為例進(jìn)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(shí)刻，受驅(qū)動信號的作用,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(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(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(guān)頻率比較高，而且存在較大的開關(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。圖2 IGBT短路保護(hù)電路原理圖根據(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(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出來，就可以作為對ＩＧＢＴ進(jìn)行保護(hù)的依據(jù)，從而對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(shè)由于某種原因，在給Ｔ２發(fā)驅(qū)動信號的時(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Ｒ２加在Ｄ８的陰極；同時(shí)，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(bào)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(bào)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(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(bào)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(bào)警信號所代表的物理意義，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)動信號。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。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(dǎo)通時(shí)的管壓降檢測出來。圖４所示波形是實(shí)際電路工作時(shí)檢測到的相關(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(dǎo)通時(shí)的管壓降，從而對ＩＧＢＴ實(shí)施有效的保護(hù)。圖５所示為ＩＧＢＴ過流時(shí)實(shí)際檢測到的ＰＦＣ電感中流過的電流及保護(hù)電路動作的波形。 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ＩＧＢＴ實(shí)施保護(hù)，成本低，動作可靠。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。