大功率逆变器组合式IGBT过流保护方案-逆变电源控制板.PDFVIP

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. IGBT 的失效原因和保护方法 引起IGBT 失效的原因有： 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℃），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，dU /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 CE 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U ，因为管压降含有短路电流的信息，过流时UCE 将增 CE 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