大功率逆变器组合式 IGBT 过流保护方案
大功率逆变器组合式 IGBT 过流保护方案 现代功率变换器均采用大功率半导体开关器件,其所能承受的电流过载能力 相对于旋转变流装置要低得多,如 IGBT 一般只能承受几十微秒甚至几微秒的过 载电流,一旦发生短路就要求保护电路能在尽可能短的时间内关断开关器件,切 断短路电流,使开关器件不致于因过流而损坏。但是,在短路情况下迅速关断开 关器件,将导致负载电流下降过快而产生过大的 di/dt。由于引线电感和漏感的 存在,过大的 di/dt 将产生很高的过电压,使开关器件面临过压击穿的危险。对 于 IGBT,过高的电压又可能导致器件内部产生锁定效应,从而使器件失控而损 |
坏。因此,必须综合考虑和设计功率变换器的短路保护电路,以确保电流保护的
有效性。 1过热损坏。集电极电流过大易引起瞬时过热,如器件散热不良会使器件持 续过热,当温度超过允许值时 IGBT 器件将损坏。如果器件持续工作在外部负载 短路状态下,大电流产生的功耗将引起温升,由于芯片的热容量小,其温度迅速 上升。若芯片温度超过硅本征温度(约 250°C),器件将失去阻断能力,栅极控 制就无法保护,从而导致 IGBT 失效。实际运行时,一般最高允许 IGBT 器件的工 作温度为 130 度左右。 2超出关断安全工作区引起锁定效应而损坏。锁定效应分静态锁定效应和动 态锁定效应,IGBT 为 PNPN 四层结构,体内存在一个寄生晶闸管,在 NPN 晶体管 的基极与发射极之间并有一个体区扩展电阻 Rs,P 型体内的横向空穴电流在 Rs上会产生一定的电压降,对 NPN 基极来说相当于一个正向偏置电压。在规定的集 电极电流范围内,这个正向偏置电压不大,对 NPN 晶体管不起任何作用。当集电 极电流增大到一定程度时,该正向电压足以使 NPN 晶体管开通,进而使 NPN 和 |
PNP 晶体管处于饱和状态。于是,寄生晶闸管导通,栅极失去控制作用,形成自 锁现象,这就是所谓的静态锁定效应。IGBT 发生锁定效应盾,集电极电流增大, 产生过高功耗,导致器件失效。动态锁定效应主要是在器件高速关断时电流下降 太快,dUCE/dt 很大,引起较大位移电流流过 Rs,产生足以使 NPN 晶体管开通的 正向偏置电压,造成寄生晶闸管自锁。 3瞬态过电流。IGBT 在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等 故障外,还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声干扰造 成的尖峰电流。这种瞬态过电流虽然持续时间较短,如果不采取措施,也可能会 导致 IGBT 失效。 4过电压造成集电极与发射极击穿。 5过电压造成栅极与发射极击穿。 |
2. IGBT 的保护方法
当过流情况出现时,IGBT 必须维持在短路安全工作区(SCSOA)内。IGBT 承受 短路的时间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切关系。为了防止由于短路 故障而造成 IGBT 损坏,必须有完善的故障检测与保护环节。一般的检测方法分 为电流传感器和 IGBT 欠饱和式保护。
(1)过流信息检测
为了实现 IGBT 的短路保护,必须进行过流检测。适用于过流检测的方法通
常是采用霍尔电流传感器直接检测 IGBT 的集电极电流 Ic,然后与设定的阈值进
行比较,采用比较器的输出去控制驱动信号的关断。也可以检测过流时 IGBT 的 集电极一发射极间电压 UCE,因为管压降含有短路电流的信息,过流时 UCE 将增 大,且基本上与 k 成线性关系,故检测过流时的 UCE 并与设定的阈值进行比较, 采用比较器的输出控制驱动电路的关断,也可完成过流保护。 (2)封锁驱动信号
在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下,可通过逆变桥输入直流母线上 的电流传感器进行检测。当检测电流值超过设定的阈值时,保护动作封锁所有桥 臂的驱动信号。这种保护方法最直接,但吸收电路和钳位电路必须经特别设计, 使其适用于短路情况。这种方法的缺点是会造成 IGBT 关断时承受的应力过大, 特别是在关断感性大电流负载时,必须采取相应的保护电路以避免 IGBT 的锁定 效应发生。
(3)减小栅压
IGBT 的短路电流和栅压有密切关系,栅压越高,短路时电流就越大。在短
路或瞬态过流情况下若能在瞬间将 UGE 分步减小或斜波减小,短路电流便会减小 下来,当 IGBT 关断时 di/dt 也减小。集成驱动电路(如 EXB841 或 M579XX 系列) 都有 UCE 检测电路,当发现欠饱和时,将栅压钳位到 10V 左右,增大 UCE 限制过 电流幅值,延长允许过流时间。短路允许时间 tsc 和短路电流 Isc 同栅极电压UCE 的关系如图 5-50 所示。在短路电流出现时,为了避免关断 IGBT 时 di/dt 过 大形成过电压,导致 IGBT 失控或过压而损坏,通常采用降栅压的软关断综合保 护技术,即在检测到过流信号后首先是进行降栅压保护,以降低故障电流的幅值, 延长 IGBT 承受过载电流的时间。在降栅压动作后,设定一个固定延迟时间以判 断故障电流的真实性。如在延迟时间内故障消失,则栅压自动恢复;如故障仍然 存在,则执行软关断,使栅压降至 0V 以下,最终关断 IGBT。采用降栅压软关断 综合保护技术可使故障电流的幅值和下降率以及过电压都受到限制,使 IGBT 的 运行轨迹处于安全区内。
在设计降栅压软关断保护电路时,要正确选择降栅压的幅度和速度。如果降 栅压的幅度较大(如 7. 5V 以上),则降栅压的速度就不要太快,一般采用 2us左右的下降时间。由于降栅压幅度大,集电极电流已经较小,则封锁栅极可快些, 不必采用软关断。如果降栅压幅度较小(比如 5V 以下),则降栅速度可快些, 而封锁栅压的速度必须慢一些,即采用软关断,以避免产生过高的过电压。(4)降频“打嗝”保护 在大功率负载中,为了使电源在短时间的短路故障状态下不中断工作,而又 能避免连续进行短路保护产生热积累而损坏 IGBT,可采用使工作频率降低的方 |
法形成间歇“打嗝”保护,待故障消除后再恢复正常工作。在降频“打嗝”保护
中并非每个保护电路都是必需的。 逆变器设计为半桥式结构,串联谐振负载,驱动电路采用 IR 公司的 IR2110半桥驱动芯片。IR2110 电路简单,成本低,适用于中大功率 IGBT。IR2110 芯片 有一个封锁两路驱动的 SD 输入端,当此引脚为高电平时,立刻封锁两路输出, 如图 5-51 所示。电压型逆变器引起短路故障的原因有: 1直通短路。桥臂中某一个器件(包括反并二极管)损坏;或由于控制电路、驱 动电路的故障,以及干扰引起驱动电路误触发,造成一个桥臂中两个 IGBT 同时 |
开通。 |
图 5-52 给出了保护电路框图。逆变器直通保护电路必须有非常快的速度。在一 |
般情况下,如果 IGBT 的额定参数选择合理,10us 之内的过流就不会损坏器件,
所以必须在这段时间内关断 IGBT。母线电流检测用霍尔传感器,它的响应速度
快,是短路保护检测的最佳选择。比较器用 LM319,将检测值与设定值比较,一
旦超过设定值马上输出保护信号,封锁 IGBT 的驱动信号,同时用触发器构成记
忆锁定保护电路,以避免保护电路在过流时频繁动作。另外,要设置外接的复位
电路。
(2)整流部分保护
对于大功率电压型逆变器,为了改善进线电流波形,一般在直流母线上串有滤波 电感。由于电感的存在,当逆变电路一旦停止工作时,如果整流电路仍处在整流 状态,则电感中的能量将向电容释放,在逆变保护动作瞬间电容将承受一个很高 的过冲电压,若不采取措施,可能会直接导致电容过压损坏,尤其在负载电流很
高、L 中储能很大时更加危险。
假设逆变关断时滤波电感中的电流全部从电容 C 中流过,同时整流器继续输出电
压 Ud 图 5-53 给出了整流器在该工况时的等效电路,L 与 C 串联谐振,由于整流
桥电流只能单向流通,所以振荡到 T/4 时结束,电路的谐振方程为:
可见在谐振到 1/4 周期时,电容上的电压达到最大值 Ucmax 之后谐振停止。
电容上最后的电压与母线电流、电感及电容有关,对此在保护动作的同时将 整流电路转换到逆变工作状态(触发角 a 拉到约 150 度),使滤波电感中的能量 大部分回馈到电网。在实际应用中,可以采用单一的整流部分转逆变的保护方法, 这种保护方法是将前级整流输入关断,故障时 IGBT 仍处于工作状态。这属于“软 保护”,对 IGBT 没有应力冲击,同时也可以避免在大电流下瞬间关断可能导致IGBT 超出关断安全工作区而处于锁定状态。