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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(cè)ＩＧＢＴ發(fā)生短路故障的方法，在詳細(xì)分析ＩＧＢＴ短路檢測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)電路，在驅(qū)動(dòng)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(cè)對(duì)象的不同?ＩＧＢＴ的短路保護(hù)可分為Ｕｇｅ監(jiān)測(cè)法或Ｕｃｅ監(jiān)測(cè)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(huì)升高這一現(xiàn)象。當(dāng)Ｕｇｅ或Ｕｃｅ超過(guò)Ｕｇｅ?ｓａｔ?或Ｕｃｅ?ｓａｔ?時(shí)，就自動(dòng)關(guān)斷ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)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變化也小?難以掌握?因而在實(shí)踐中一般采用Ｕｃｅ監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)對(duì)ＩＧＢＴ進(jìn)行保護(hù)。本文研究的ＩＧＢＴ保護(hù)電路，是通過(guò)對(duì)ＩＧＢＴ導(dǎo)通時(shí)的管壓降Ｕｃｅ進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)短路電流所需的霍爾電流傳感器，降低整個(gè)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(chǎng)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(dòng)信號(hào)和相關(guān)的器件波形�，F(xiàn)以正半波工作過(guò)程為例進(jìn)行分析（對(duì)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(guò)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(dòng)信號(hào)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(guò)程分析如下：在ｔ１～ｔ２時(shí)刻，受驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)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(chǔ)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(cè)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(cè)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
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