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一种新型的IGBT短路保护电路的设计

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Jasmines|  楼主 | 2018-8-6 16:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
一种新型的IGBT短路保护电路的设计



摘要:提出了一种直接检测IGBT发生短路故障的方法,在详细分析IGBT短路检测原理的基础上给出了相应的IGBT短路保护电路。仿真及实验结果均证明该电路工作稳定可靠,能很好地对IGBT实施有效的保护。

关键词:IGBT 短路保护 电路设计
固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言,电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外,还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。
IGBT是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件开关频率高广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当,它很容易损坏。一般认为IGBT损坏的主要原因有两种:一是IGBT退出饱和区而进入了放大区使得开关损耗增大;二是IGBT发生短路,产生很大的瞬态电流,从而使IGBT损坏。IGBT的保护通常采用快速自保护的办法即当故障发生时,关断IGBT驱动电路,在驱动电路中实现退饱和保护;或者当发生短路时,快速地关断IGBT。根据监测对象的不同IGBT的短路保护可分为Uge监测法或Uce监测法二者原理基本相似都是利用集电极电流IC升高时Uge或Uce也会升高这一现象。当Uge或Uce超过Ugesat或Ucesat时,就自动关断IGBT的驱动电路。由于Uge在发生故障时基本不变,而Uce的变化较大并且当退饱和发生时Uge变化也小难以掌握因而在实践中一般采用Uce监测技术来对IGBT进行保护。本文研究的IGBT保护电路,是通过对IGBT导通时的管压降Uce进行监测来实现对IGBT的保护。
采用本文介绍的IGBT短路保护电路可以实现快速保护,同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器,降低整个系统的成本。实践证明,该电路有比较大的实用价值,尤其是在低直流母线电压的应用场合,该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。
短路保护的工作原理
图1()所示为工作在PWM整流状态的H型桥式PWM变换电路(此图为正弦波正半波输入下的等效电路,上半桥的两只IGBT未画出),图1()为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析(对于三相PWM电路,在整流、逆变工作状态或单相DC/DC工作状态下,PWM电路的分析过程及结论基本类似)。

图片1.png
在图1所示的电路中,在市电电源Us的正半周期,将Ug2.4所示的高频驱动信号加在下半桥两只IGBT的栅极上,得到管压降波形UT2D。其工作过程分析如下:在t1~t2时刻,受驱动信号的作用,T2、T4导通(实际上是T2导通, D4处于续流状态),在Us的作用下通过电感LS的电流增加,在T2管上形成如图1(b)中UT2D所示的按指数规律上升的管压降波形,该管压降是通态电流在IGBT导通时的体电阻上产生的压降;在t2~t3时刻,T2、T4关断,由于电感LS中有储能,因此在电感LS的作用下,二极管D2、D4续流,形成图1(b)中UT2.D的阴影部分所示的管压降波形,以此类推。分析表明,为了能够检测到IGBT导通时的管压降的值,应该将在t1~t2时刻IGBT导通时的管压降保留,而将在t2~t3时刻检测到的IGBT的管压降的值剔除,即将图1(b)中UT2.D的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于IGBT的开关频率比较高,而且存在较大的开关噪声,因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。
2 IGBT短路保护电路原理图
    根据以上的分析可知,在正常情况下,IGBT导通时的管压降Uce(sat)的值都比较低,通常都小于器件手册给出的数据Uce(sat)的额定值。但是,如果H型桥式变换电路发生故障(如同一侧桥臂上的上下两只IGBT同时导通的 直通现象),则这时在下管IGBT的C~E极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来,就可以作为对IGBT进行保护的依据,从而对IGBT实施有效的保护。
短路保护电路的设计
由对图1所示电路的分析,可以得到IGBT短路保护电路的原理电路图,如图2所示。在图2所示电路中IC4及其外围器件构成选通逻辑电路,由IC5及其外围器件构成滤波及放大电路,IC2及其外围器件构成门限比较电路,IC1及其外围器件构成保持电路。正常情况下,D1、D2、D3的阴极所连接的IC2D、IC2C及CD4011的输出均为高电平,IC1的输出状态不会改变。假设由于某种原因,在给T2发驱动信号的时候,H型桥式PWM变换电路的左半桥下管T2的管压降异常升高(设电平值为),即T2-d端电压异常升高,则该高电平UT2-d通过R2加在D8的阴极;同时,发给T2的高电平驱动信号也加在二极管D5的阴极。对IC2C来说,其反相输入端为高电平,若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话,则IC2C输出为。该电平通过D2加在R-S触发器IC1的R输入端,使其输出端Q的输出电平翻转,向控制系统发出IGBT故障报警信号。如果是由于右半桥下管T4的管压降异常升高而引起IC2D输出为,则该电平通过D1加在R-S触发器IC1的R输入端,使其输出端Q的输出电平翻转,向控制系统发出IGBT故障报警信号。由IC5A和IC5C及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述IGBT管压降的电压信号进行预处理后,送给由IC5B构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由R22和R32确定的门槛电平,则会使R-S触发器IC1的R端的第三个输入端为,也向控制系统发出IGBT故障报警信号。改变由R22和R32确定的门槛电平,就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义,从而灵活地设计保护电路。图2中的端子T4-d、T2-d,分别接在T4、T2的集电极上,T4-G、T2-G分别接IGBT器件T4、T2的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是,D8、D5、D9、D4必须采用快速恢复二极管。
仿真及实验结果
当图1所示的PWM变换器工作在单相高频整流模式下,应用PSPICE仿真软件对图2所示的电路进行仿真研究,可以得到如图3所示的结果。图3所示的仿真波形相当于在图2电路中IC5B的第7脚观察到的信号波形。仿真结果表明,检测电路可以快速、有效地将PWM变换器的下管导通时的管压降检测出来。图4所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中,1#通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形,2#通道显示的是实际检测到的图2电路中IC5B的第7脚的工作波形。比较图3和图4可以得出,该检测电路可以快速、有效地检测出IGBT导通时的管压降,从而对IGBT实施有效的保护。



图片2.png 图片3.png 图片4.png
   
电路实际运行结果证明,本文介绍的IGBT短路保护电路可以有效地对IGBT实施保护,成本低,动作可靠。实践证明,该电路有比较大的实用价值,尤其是在低直流母线电压的应用场合,该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型3KVA高频逆变器中。


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Jasmines|  楼主 | 2018-8-6 16:44 | 显示全部楼层
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airwill| | 2018-8-7 06:21 | 显示全部楼层
虽然感觉有点道理, 但是这个电路做稳定还是有点难度.
这里没有看到图2,  图在哪里呢, pdf 里也没有这个图呢

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