電力變換裝置中短路保護電路的設(shè)計

摘要：為了使電力變換裝置能夠安全可靠地工作，在分析其短路保護設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，給出了幾種實用的電流保護電路，并對其工作機理進行了詳盡的剖析，以便變通使用。

關(guān)鍵詞：電力變換；過流保護；短路保護；軟關(guān)斷；降低柵壓保護

0 引言

由于電力變換裝置均工作在大功率環(huán)境中，過流和短路是不可避免的。為了確保電力變換裝置安全可靠地工作，有效的電流保護設(shè)計是必須的。而過流相對于短路對變換裝置的危害要小，再加上各種資料對過流保護介紹得比較多，故在此主要討論電力變換裝置中的短路保護的設(shè)計。

現(xiàn)代電力變換裝置均采用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，其所能承受的電流過載能力相對于旋轉(zhuǎn)變流裝置要低得多，如IGBT一般只能承受幾十個μs甚至幾個μs的過載電流，一旦短路發(fā)生就要求保護電路能在盡可能短的時間內(nèi)關(guān)斷開關(guān)器件，切斷短路電流，使開關(guān)器件不致于因過流而損壞。但是，在短路情況下迅速關(guān)斷開關(guān)器件，將導(dǎo)致負載電流下降過快而產(chǎn)生過大的di/dt，由于引線電感和漏感的存在，過大的di/dt將產(chǎn)生很高的過電壓，而使開關(guān)器件面臨過壓擊穿的危險。對于IGBT，過高的電壓又可能導(dǎo)致器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)失控而損壞器件。因此，必須綜合考慮和設(shè)計電力變換裝置短路保護，以確保電流保護的有效性。

1 短路保護電路的設(shè)計

由于IGBT綜合了場效應(yīng)管輸入阻抗高，驅(qū)動功率小和雙極晶體管電壓容量大，電流密度高的優(yōu)點，而成為了現(xiàn)代電力變換裝置中使用最廣泛的一種開關(guān)器件，下面以其為保護對象進行討論。

1.1 過流信息檢測

為了實現(xiàn)IGBT的短路保護，必須進行過流檢測。適用于過流檢測方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流I_c，然后與設(shè)定的閾值進行比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷；也可以檢測過流時IGBT的集射極電壓V_ce，因為管壓降含有短路電流的信息，過流時V_ce將增大，且基本上與I_c呈線性關(guān)系，故檢測過流時的V_ce并與設(shè)定的閾值進行比較，用比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷，也可完成過流保護。

1.2 降柵壓軟關(guān)斷半導(dǎo)體開關(guān)器件

在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關(guān)斷IGBT時di/dt過大形成過電壓，導(dǎo)致IGBT失控或過壓損壞，通常采用降柵壓的軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)。即在檢測到過流信號后首先是進入降柵壓保護，以降低故障電流的幅值，延長IGBT承受過載電流的時間。在降柵壓動作后，設(shè)定一個固定延遲時間以判斷故障電流的真實性，如在延遲時間內(nèi)故障消失則柵壓自動恢復(fù)；如故障仍然存在則執(zhí)行軟關(guān)斷，使柵壓降至0V以下，最終關(guān)斷IGBT。采用降柵壓軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)可使故障電流的幅值和下降率以及過電壓都受到限制，使IGBT的運行軌跡處于安全區(qū)內(nèi)。

在設(shè)計降柵壓軟關(guān)斷保護電路時，要正確選擇降柵壓的幅度和速度。如果降柵壓幅度較大（如7.5V以上），則降柵壓的速度就不要太快，一般采用2μs左右的下降時間。由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，則封鎖柵極可快些，不必采用軟關(guān)斷。如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下），則降柵速度可快些，而封鎖柵壓的速度必須慢，即采用軟關(guān)斷，以避免產(chǎn)生過高的過電壓。

1.3 降頻“打嗝”的保護

在大功率負載中為了使電源在短時間的短路故障狀態(tài)下不中斷工作，又能避免連續(xù)進行短路保護產(chǎn)生熱積累而損壞IGBT，可采用使工作頻率降低的方法形成間歇“打嗝”的保護，待故障消除后又恢復(fù)正常工作。降頻“打嗝”的保護并非每個保護電路都必需。

2 幾種實用的IGBT短路保護電路及工作原理

2.1 利用短路時V_ce增大實現(xiàn)的短路保護電路

圖1是利用IGBT短路時V_ce增大的原理實現(xiàn)保護的電路，專用于EXB841驅(qū)動電路。如果發(fā)生短路，含有IGBT過流信息的V_ce不直接送至EXB841的IGBT集電極電壓監(jiān)視腳6上，而是快速關(guān)斷快速恢復(fù)二極管V_D1，使比較器IC₁（LM339)的V＋電壓大于V－電壓，比較器輸出高電平，由V_D2送至EXB841的腳6，啟動EXB841內(nèi)部電路中的降柵壓及軟關(guān)斷電路，低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT，既避免了集電極電流尖峰損壞IGBT，又完成了IGBT短路保護。該電路的特點是，消除了由V_D1正向壓降隨電流不同而引起關(guān)斷速度不同的差異，提高了電流檢測的準(zhǔn)確性，同時，由于直接利用EXB841內(nèi)部電路中的降柵壓及軟關(guān)斷功能，整體電路簡單可靠。

圖1 利用過流時IGBT的V_ce增大實現(xiàn)的短路保護電路