電力變換裝置中短路保護電路的設計

正常工作時(shí)，驅動(dòng)輸入信號V_i為低電平，光耦I(lǐng)C₄不導通，V₁及V₃導通，輸出負驅動(dòng)電壓V_E，IGBT（V₄）關(guān)斷；當驅動(dòng)輸入信號V_i為高電平時(shí)，光耦I(lǐng)C₄導通，V₁截止而V₂導通，輸出正驅動(dòng)電壓V_C1，功率開(kāi)關(guān)管IGBT導通。發(fā)生短路故障時(shí)，IGBT集電極電壓V_ce增大，由于V_D5截止導致比較器IC₁輸出高電平，V₅導通，由VD2限壓實(shí)現對V₂降柵壓，從而實(shí)現了IGBT軟降柵壓保護，V₂降柵壓幅度由穩壓管V_D2決定，軟降柵壓時(shí)間由R₆和C₁決定約為2μs。IC₁輸出的高電平同時(shí)經(jīng)R₇對C₂進(jìn)行充電延時(shí)約5～15μs后，C₂上電壓達到穩壓管V_D4的擊穿電壓，V₆導通。V₆導通后，一方面使光耦I(lǐng)C₅導通啟動(dòng)降頻過(guò)流保護電路工作，另一方面由R₉和C₃形成約3μs的軟關(guān)斷柵壓，完成對IGBT軟關(guān)斷柵壓保護。

V₅導通時(shí)，V₇經(jīng)C₄和R₁₀電路形成的基極電流導通約20μs，在降柵壓保護后將輸入驅動(dòng)信號閉鎖一段時(shí)間，不再響應輸入端的關(guān)斷信號，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過(guò)電壓，使驅動(dòng)電路在故障存在的情況下能執行一個(gè)完整的降柵壓和軟關(guān)斷保護過(guò)程。

降頻過(guò)流保護電路主要由時(shí)基555電路（IC₂），光耦I(lǐng)C₅，V₈和V₉三極管等組成。V₆導通時(shí)，光耦I(lǐng)C₅導通，時(shí)基電路IC₂的觸發(fā)腳2獲得負觸發(fā)信號，555腳3輸出高電平，V₉導通，IC₃與門(mén)被封鎖，封鎖時(shí)間由定時(shí)元件R₁₅和C₅決定（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅動(dòng)器的輸出信號將工作在所謂的“打嗝”狀態(tài)，避免了發(fā)生短路故障后仍工作在原來(lái)的頻率下，而頻繁進(jìn)行短路保護導致熱積累而損壞IGBT。只要故障消失，電路又能恢復到正常工作狀態(tài)。

2.5 具有檢測高頻交流電流短路的保護電路

該電路如圖5所示。R4為輸出電流取樣電阻，電路正常工作時(shí)，IC1的輸出電壓UA不足以使D₃（9.1V）或D₄（9.1V）擊穿導通，V₁和V₂均不導通，IC₂不工作，V₃導通輸出低電平，EXB841驅動(dòng)電路正常工作。如果電路有過(guò)流現象出現時(shí)，假定發(fā)生在正半周，IC₁輸出的UA為負電壓，使得D₃擊穿，D₄導通，V₂導通，電流經(jīng)D₂，R₈，V₂，R₁，使光耦I(lǐng)C₂導通，輸出過(guò)流信號，V₃截止輸出高電平。若負半周過(guò)流發(fā)生，IC₁輸出UA為正電壓，使D₄擊穿，D₃導通，V₁導通，電流經(jīng)R₇，V₁，R₈和D₁，使IC₂通電工作，V₃截止輸出高電平。當V₃截止輸出高電平時(shí)，啟動(dòng)EXB841內部短路降柵壓軟關(guān)斷電路工作，完成對IGBT的保護。這樣，只要電路有過(guò)流現象發(fā)生，保護電路就會(huì )立即動(dòng)作，對電路進(jìn)行有效地保護，防止損壞IGBT。該電路對低頻交流電路和直流電路短路電流保護同樣有效。由于PN結穩壓值隨溫度升高而升高，而PN結正向導通值隨溫度升高而降低，故D3及D4反向串聯(lián)具有良好溫度補償作用，使電路熱穩定性相當好。

圖5 具有檢測高頻交流電流短路的保護電路

3 結語(yǔ)

對電力變換裝置的短路保護至關(guān)重要，應針對不同的變換模式和變換拓撲，進(jìn)行短路保護的設計，以確保短路發(fā)生時(shí)保護電路能有效地達到保護的目的。還須指出的是，由于電力變換裝置工作在大功率下的惡劣環(huán)境中，各種突發(fā)故障隨時(shí)都有可能發(fā)生，只有電流保護是遠遠不夠的，還需要有防浪涌的軟啟動(dòng)、過(guò)欠壓、過(guò)熱、缺相等保護，以組成完善的保護系統，只有這樣才能確保其安全運行。