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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Ｕｇｅ?ｓａｔ?或Ｕｃｅ?ｓａｔ?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。
１短路保护的工作原理
图１(ａ)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(ｂ)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）。
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ＵＴ２?Ｄ。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ＵＴ２?Ｄ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。
图2IGBT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。
２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“高”），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“低”。该“低”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“低”，则该“低”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“低”，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。
３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５所示为ＩＧＢＴ过流时实际检测到的ＰＦＣ电感中流过的电流及保护电路动作的波形。
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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