電力變換裝置中短路保護電路的設計

摘要：為了使電力變換裝置能夠安全可靠地工作，在分析其短路保護設計方法的基礎上，給出了幾種實(shí)用的電流保護電路，并對其工作機理進(jìn)行了詳盡的剖析，以便變通使用。

關(guān)鍵詞：電力變換；過(guò)流保護；短路保護；軟關(guān)斷；降低柵壓保護

0 引言

由于電力變換裝置均工作在大功率環(huán)境中，過(guò)流和短路是不可避免的。為了確保電力變換裝置安全可靠地工作，有效的電流保護設計是必須的。而過(guò)流相對于短路對變換裝置的危害要小，再加上各種資料對過(guò)流保護介紹得比較多，故在此主要討論電力變換裝置中的短路保護的設計。

現代電力變換裝置均采用大功率半導體開(kāi)關(guān)器件，其所能承受的電流過(guò)載能力相對于旋轉變流裝置要低得多，如IGBT一般只能承受幾十個(gè)μs甚至幾個(gè)μs的過(guò)載電流，一旦短路發(fā)生就要求保護電路能在盡可能短的時(shí)間內關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，切斷短路電流，使開(kāi)關(guān)器件不致于因過(guò)流而損壞。但是，在短路情況下迅速關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，將導致負載電流下降過(guò)快而產(chǎn)生過(guò)大的di/dt，由于引線(xiàn)電感和漏感的存在，過(guò)大的di/dt將產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，而使開(kāi)關(guān)器件面臨過(guò)壓擊穿的危險。對于IGBT，過(guò)高的電壓又可能導致器件內部產(chǎn)生擎住效應失控而損壞器件。因此，必須綜合考慮和設計電力變換裝置短路保護，以確保電流保護的有效性。

1 短路保護電路的設計

由于IGBT綜合了場(chǎng)效應管輸入阻抗高，驅動(dòng)功率小和雙極晶體管電壓容量大，電流密度高的優(yōu)點(diǎn)，而成為了現代電力變換裝置中使用最廣泛的一種開(kāi)關(guān)器件，下面以其為保護對象進(jìn)行討論。

1.1 過(guò)流信息檢測

為了實(shí)現IGBT的短路保護，必須進(jìn)行過(guò)流檢測。適用于過(guò)流檢測方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流I_c，然后與設定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出去控制驅動(dòng)信號的關(guān)斷；也可以檢測過(guò)流時(shí)IGBT的集射極電壓V_ce，因為管壓降含有短路電流的信息，過(guò)流時(shí)V_ce將增大，且基本上與I_c呈線(xiàn)性關(guān)系，故檢測過(guò)流時(shí)的V_ce并與設定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出控制驅動(dòng)電路的關(guān)斷，也可完成過(guò)流保護。

1.2 降柵壓軟關(guān)斷半導體開(kāi)關(guān)器件

在短路電流出現時(shí)，為了避免關(guān)斷IGBT時(shí)di/dt過(guò)大形成過(guò)電壓，導致IGBT失控或過(guò)壓損壞，通常采用降柵壓的軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)。即在檢測到過(guò)流信號后首先是進(jìn)入降柵壓保護，以降低故障電流的幅值，延長(cháng)IGBT承受過(guò)載電流的時(shí)間。在降柵壓動(dòng)作后，設定一個(gè)固定延遲時(shí)間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；如故障仍然存在則執行軟關(guān)斷，使柵壓降至0V以下，最終關(guān)斷IGBT。采用降柵壓軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)可使故障電流的幅值和下降率以及過(guò)電壓都受到限制，使IGBT的運行軌跡處于安全區內。

在設計降柵壓軟關(guān)斷保護電路時(shí)，要正確選擇降柵壓的幅度和速度。如果降柵壓幅度較大（如7.5V以上），則降柵壓的速度就不要太快，一般采用2μs左右的下降時(shí)間。由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，則封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷。如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），則降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免產(chǎn)生過(guò)高的過(guò)電壓。

1.3 降頻“打嗝”的保護

在大功率負載中為了使電源在短時(shí)間的短路故障狀態(tài)下不中斷工作，又能避免連續進(jìn)行短路保護產(chǎn)生熱積累而損壞IGBT，可采用使工作頻率降低的方法形成間歇“打嗝”的保護，待故障消除后又恢復正常工作。降頻“打嗝”的保護并非每個(gè)保護電路都必需。

2 幾種實(shí)用的IGBT短路保護電路及工作原理

2.1 利用短路時(shí)V_ce增大實(shí)現的短路保護電路

圖1是利用IGBT短路時(shí)V_ce增大的原理實(shí)現保護的電路，專(zhuān)用于EXB841驅動(dòng)電路。如果發(fā)生短路，含有IGBT過(guò)流信息的V_ce不直接送至EXB841的IGBT集電極電壓監視腳6上，而是快速關(guān)斷快速恢復二極管V_D1，使比較器IC₁（LM339)的V＋電壓大于V－電壓，比較器輸出高電平，由V_D2送至EXB841的腳6，啟動(dòng)EXB841內部電路中的降柵壓及軟關(guān)斷電路，低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，既避免了集電極電流尖峰損壞IGBT，又完成了IGBT短路保護。該電路的特點(diǎn)是，消除了由V_D1正向壓降隨電流不同而引起關(guān)斷速度不同的差異，提高了電流檢測的準確性，同時(shí)，由于直接利用EXB841內部電路中的降柵壓及軟關(guān)斷功能，整體電路簡(jiǎn)單可靠。

圖1 利用過(guò)流時(shí)IGBT的V_ce增大實(shí)現的短路保護電路