開(kāi)關(guān)電源保護電路的工作原理
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2.4 短路保護
開(kāi)關(guān)電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴重的故障，短路保護是否可靠，是影響開(kāi)關(guān)電源可靠性的重要因素。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場(chǎng)效應晶體管輸入阻抗高、驅動(dòng)功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大及管壓降低的特點(diǎn)，是目前中、大功率開(kāi)關(guān)電源最普遍使用的電力電子開(kāi)關(guān)器件。IGBT能夠承受的短路時(shí)間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾μs至幾十μs。短路電流過(guò)大不僅使短路承受時(shí)間縮短，而且使關(guān)斷時(shí)電流下降率di/dt過(guò)大，由于漏感及引線(xiàn)電感的存在，導致IGBT集電極過(guò)電壓，該過(guò)電壓可在器件內部產(chǎn)生擎住效應使IGBT鎖定失效，同時(shí)高的過(guò)電壓會(huì )使IGBT擊穿。因此，當出現短路過(guò)流時(shí)，必須采取有效的保護措施。為了實(shí)現IGBT的短路保護，則必須進(jìn)行過(guò)流檢測。適用IGBT過(guò)流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然后與設定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅動(dòng)信號的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測過(guò)流時(shí)IGBT的電壓降Vce，因為管壓降含有短路電流信息，過(guò)流時(shí)Vce增大，且基本上為線(xiàn)性關(guān)系，檢測過(guò)流時(shí)的Vce并與設定的閾值進(jìn)行比較，比較器的輸出控制驅動(dòng)電路的關(guān)斷。在短路電流出現時(shí)，為了避免關(guān)斷電流的di/dt過(guò)大形成過(guò)電壓，導致IGBT鎖定無(wú)效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)。在檢測到過(guò)流信號后首先是進(jìn)入降柵保護程序，以降低故障電流的幅值，延長(cháng)IGBT的短路承受時(shí)間。在降柵動(dòng)作后，設定一個(gè)固定延遲時(shí)間用以判斷故障電流的真實(shí)性，如在延遲時(shí)間內故障消失則柵壓自動(dòng)恢復，如故障仍然存在則進(jìn)行軟關(guān)斷程序，使柵壓降至0V以下，關(guān)斷IGBT的驅動(dòng)信號。由于在降柵壓程序階段集電極電流已減小，故軟關(guān)斷時(shí)不會(huì )出現過(guò)大的短路電流下降率和過(guò)高的過(guò)電壓。采用軟降柵壓及軟關(guān)斷柵極驅動(dòng)保護，使故障電流的幅值和下降率都能受到限制，過(guò)電壓降低，IGBT的電流、電壓運行軌跡能保證在安全區內。
在設計降柵壓保護電路時(shí)，要正確選擇降柵壓幅度和速度，如果降柵壓幅度大（比如7.5V），降柵壓速度不要太快，一般可采用2μs下降時(shí)間的軟降柵壓，由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，在故障狀態(tài)封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷；如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免過(guò)電壓發(fā)生。為了使電源在短路故障狀態(tài)不中斷工作，又能避免在原工作頻率下連續進(jìn)行短路保護產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞，采用降柵壓保護即可不必在一次短路保護立即封鎖電路，而使工作頻率降低（比如1Hz左右），形成間歇“打嗝”的保護方法，故障消除后即恢復正常工作。
下面介紹幾種IGBT短路保護的實(shí)用電路及工作原理。
圖7是利用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護的電路，用于專(zhuān)用驅動(dòng)器EXB841。EXB841內部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)斷，并具有內部延遲功能，以消除干擾產(chǎn)生的誤動(dòng)作。含有IGBT過(guò)流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監視腳6，而是經(jīng)快速恢復二極管VD1，通過(guò)比較器IC1輸出接至EXB841的腳6，其目的是為了消除VD1正向壓降隨電流不同而異，采用閾值比較器，提高電流檢測的準確性。如果發(fā)生過(guò)流，驅動(dòng)器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，以避免集電極電流尖峰脈沖損壞IGBT器件。
圖7 采用IGBT過(guò)流時(shí)Vce增大的原理進(jìn)行保護
圖8是利用電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測的IGBT保護電路，電流傳感器（SC）初級（1匝）串接在IGBT的集電極電路中，次級感應的過(guò)流信號經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準電壓進(jìn)行比較，IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2，其輸出接至PWM控制器UC3525的輸出控制腳10。不過(guò)流時(shí)，VAVref，VB=0.2V，VCVref，IC2輸出低電平，PWM控制器正常工作。
(a) 電路原理圖
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