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

《一种新型的IGBT短路保护电路的设计》