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一種新型的IGBT短路保護電路的設(shè)計
摘要：提出了一種直接檢測ＩＧＢＴ發(fā)生短路故障的方法，在詳細(xì)分析ＩＧＢＴ短路檢測原理的基礎(chǔ)上給出了相應(yīng)的ＩＧＢＴ短路保護電路。仿真及實驗結(jié)果均證明該電路工作穩(wěn)定可靠，能很好地對ＩＧＢＴ實施有效的保護。關(guān)鍵詞：ＩＧＢＴ 短路保護 電路設(shè)計
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的保護通常采用快速自保護的辦法?即當(dāng)故障發(fā)生時，關(guān)斷ＩＧＢＴ驅(qū)動電路，在驅(qū)動電路中實現(xiàn)退飽和保護；或者當(dāng)發(fā)生短路時，快速地關(guān)斷ＩＧＢＴ。根據(jù)監(jiān)測對象的不同?ＩＧＢＴ的短路保護可分為Ｕｇｅ監(jiān)測法或Ｕｃｅ監(jiān)測法?二者原理基本相似?都是利用集電極電流ＩＣ升高時Ｕｇｅ或Ｕｃｅ也會升高這一現(xiàn)象。當(dāng)Ｕｇｅ或Ｕｃｅ超過Ｕｇｅ?ｓａｔ?或Ｕｃｅ?ｓａｔ?時，就自動關(guān)斷ＩＧＢＴ的驅(qū)動電路。由于Ｕｇｅ在發(fā)生故障時基本不變，而Ｕｃｅ的變化較大?并且當(dāng)退飽和發(fā)生時?Ｕｇｅ變化也小?難以掌握?因而在實踐中一般采用Ｕｃｅ監(jiān)測技術(shù)來對ＩＧＢＴ進行保護。本文研究的ＩＧＢＴ保護電路，是通過對ＩＧＢＴ導(dǎo)通時的管壓降Ｕｃｅ進行監(jiān)測來實現(xiàn)對ＩＧＢＴ的保護。
采用本文介紹的ＩＧＢＴ短路保護電路可以實現(xiàn)快速保護，同時又可以節(jié)省檢測短路電流所需的霍爾電流傳感器，降低整個系統(tǒng)的成本。實踐證明，該電路有比較大的實用價值，尤其是在低直流母線電壓的應(yīng)用場合，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)動信號和相關(guān)的器件波形�，F(xiàn)以正半波工作過程為例進行分析（對于三相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)動信號加在下半橋兩只ＩＧＢＴ的柵極上，得到管壓降波形ＵＴ２?Ｄ。其工作過程分析如下：在ｔ１～ｔ２時刻，受驅(qū)動信號的作用,Ｔ２、Ｔ４導(dǎo)通（實際上是Ｔ２導(dǎo)通, Ｄ４處于續(xù)流狀態(tài)），在Ｕｓ的作用下通過電感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)通時的體電阻上產(chǎn)生的壓降；在ｔ２～ｔ３時刻，Ｔ２、Ｔ４關(guān)斷，由于電感ＬＳ中有儲能，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，為了能夠檢測到ＩＧＢＴ導(dǎo)通時的管壓降的值，應(yīng)該將在ｔ１～ｔ２時刻ＩＧＢＴ導(dǎo)通時的管壓降保留，而將在ｔ２～ｔ３時刻檢測到的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)計采樣電路時應(yīng)給予足夠的考慮。
圖2 IGBT短路保護電路原理圖
根據(jù)以上的分析可知，在正常情況下，ＩＧＢＴ導(dǎo)通時的管壓降Ｕｃｅ(ｓａｔ)的值都比較低，通常都小于器
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