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電力變換裝置中短路保護(hù)電路的設(shè)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(hù)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，給出了幾種實用的電流保護(hù)電路，并對其工作機理進(jìn)行了詳盡的剖析，以便變通使用。引言
由于電力變換裝置均工作在大功率環(huán)境中，過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(hù)設(shè)計是必須的。而過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流保護(hù)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(hù)的設(shè)計。
現(xiàn)代電力變換裝置均采用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，其所能承受的電流過載能力相對于旋轉(zhuǎn)變流裝置要低得多，如IGBT一般只能承受幾十個μs甚至幾個μs的過載電流，一旦短路發(fā)生就要求保護(hù)電路能在盡可能短的時間內(nèi)關(guān)斷開關(guān)器件，切斷短路電流，使開關(guān)器件不致于因過流而損壞。但是，在短路情況下迅速關(guān)斷開關(guān)器件，將導(dǎo)致負(fù)載電流下降過快而產(chǎn)生過大的di/dt，由于引線電感和漏感的存在，過大的di/dt將產(chǎn)生很高的過電壓，而使開關(guān)器件面臨過壓擊穿的危險。對于IGBT，過高的電壓又可能導(dǎo)致器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)失控而損壞器件。因此，必須綜合考慮和設(shè)計電力變換裝置短路保護(hù)，以確保電流保護(hù)的有效性。
1 短路保護(hù)電路的設(shè)計
由于IGBT綜合了場效應(yīng)管輸入阻抗高，驅(qū)動功率小和雙極晶體管電壓容量大，電流密度高的優(yōu)點，而成為了現(xiàn)代電力變換裝置中使用最廣泛的一種開關(guān)器件，下面以其為保護(hù)對象進(jìn)行討論。
1.1 過流信息檢測
為了實現(xiàn)IGBT的短路保?，必須進(jìn)行過流檢測。適用于過流檢測方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷；也可以檢測過流時IGBT的集射極電壓Vce，因為管壓降含有短路電流的信息，過流時Vce將增大，且基本上與Ic呈線性關(guān)系，故檢測過流時的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷，也可完成過流保護(hù)。
1.2 降柵壓軟關(guān)斷半導(dǎo)體開關(guān)器件
在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關(guān)斷IGBT時di/dt過大形成過電壓，導(dǎo)致IGBT失控或過壓損壞，通常采用降柵壓的軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。即在檢測到過流信號后首先是進(jìn)入降柵壓保護(hù)，以降低故障電流的幅值，延長IGBT承受過載電流的時間。在降柵壓動作后，設(shè)定一個固定延遲時間以判斷故障電流的真實性，如在延遲時間內(nèi)故障消失則柵壓自動恢復(fù)；如故障仍然存在則執(zhí)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(hù)技術(shù)可使故障電流的幅值和下降率以及過電壓都受到限制，使IGBT的運行軌跡處于安全區(qū)內(nèi)。
圖2
在設(shè)計降柵壓軟關(guān)斷保護(hù)電路時，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。如果降柵壓幅度較小（比如5V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)生過高的過電壓。
1.3 降頻“打嗝”的保護(hù)
在大功率負(fù)載中為了使電源在短時間的短路故障狀態(tài)下不中斷工作，又能避免連續(xù)進(jìn)行短路保護(hù)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(hù)，待故障消除后又恢復(fù)正常工作。降頻“打嗝”的保護(hù)并非每個保護(hù)電路都必需。
2 幾種實用的IGBT短路保護(hù)電路及工作原理
2.1 利用短路時Vce增大實現(xiàn)的短路保護(hù)電路
圖1是利用IGBT短路時Vce增大的原理實現(xiàn)保護(hù)的電路，專用于EXB841驅(qū)動電路。如果發(fā)生短路，含有IGBT過流信息的Vce不直接送至EXB841的IGBT集電極電壓監(jiān)視腳6上，而是快速關(guān)斷快速恢復(fù)二極管VD1，使比較器IC1（LM339)的V＋電壓大于V－電壓，比較器輸出高電平，由VD2送至EXB841的腳6，啟動EXB841內(nèi)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(hù)。該電路的特點是，消除了由VD1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(zhǔn)確性，同時，由于直接利用EXB841內(nèi)部電路中的降柵壓及軟關(guān)斷功能，整體電路簡單可靠。
2.2 利用電流互感器實現(xiàn)的短路保護(hù)電路
圖2是利用電流互感器實現(xiàn)過流檢測的IGBT短路保護(hù)電路。其中電流互感器TA的初級串接在IGBT的集電極電路中，次級感應(yīng)的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準(zhǔn)電壓Vref進(jìn)行比較，IC1輸出VB至具有正反饋的比較器IC2的同相輸入端C點，由IC2的輸出經(jīng)R8接至EXB841的腳6上。不過流時，IC1的VA小于Vref，輸出VB為低電平約0.2V，經(jīng)R1送到IC2比較器的同相端C形成VC，因此時VC小于Vref，IC2輸出為低電平，EXB841正常工作。當(dāng)出現(xiàn)過流時，電流互感器檢測到的整流電壓將升高，VA大于Vref，VB為高電平，由R1給C3充電，經(jīng)一定的延時后，VC將大于Vref，IC2輸出高電平，EXB841保護(hù)電路工作，使IGBT降柵壓軟關(guān)斷。IGBT關(guān)閉后，電流互感器初級無電流流過，使VA又小于Vref，VB又回到0.2V左右，C3經(jīng)R1放電，當(dāng)VC小于Vref時，IC2輸出低電平，電路重新進(jìn)入工作狀態(tài)。如果過流繼續(xù)存在，保護(hù)電路又恢復(fù)到原來的限流保護(hù)工作狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)使EXB841的輸出驅(qū)動波形處于間隔輸出狀態(tài)，使IGBT輸出電流有效值減小，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。電位器W1用于調(diào)整IC1比較器過流動作閾值。電容器C3可經(jīng)D5和R5快速充電，經(jīng)R1慢速放電，只要合理地選擇R1，R5和C3的參數(shù)，可實現(xiàn)EXB841比較快關(guān)閉IGBT而較慢恢復(fù)IGBT。正反饋電阻R7保證IC2比較器具有遲滯特性，和R1和C3充放電電路一起，保證IC2輸出不致于在高、低電平之間頻繁變化，使IGBT頻繁開通、關(guān)斷而損壞，提高了電路的可靠性。
圖3
2.3 利用短路Vce和
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