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(duì)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(duì)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(jìn)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(hù)通常采用快速自保護(hù)的辦法即當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，關(guān)斷 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路，在驅(qū)動(dòng)電路中實(shí)現(xiàn)退飽和保護(hù);或者當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，快速地關(guān)斷 IGBT。根據(jù)監(jiān)測對(duì)象的不同 IGBT 的短路保護(hù)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(shí) Uge 或 Uce 也會(huì)升高這一現(xiàn)象。當(dāng) Uge 或 Uce 超過 Uge sat 或 Uce sat 時(shí)，就自動(dòng)關(guān)斷 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路。由于 Uge 在發(fā)生故障時(shí)基本不變，而 Uce 的變化較大，并且當(dāng)退飽和發(fā)生時(shí) Uge 變化也小難以掌握，因而在實(shí)踐中一般采用 Uce 監(jiān)測技術(shù)來對(duì) IGBT 進(jìn)行保護(hù)。本文研究的 IGBT 保護(hù)電路，是通過對(duì) IGBT 導(dǎo)通時(shí)的管壓降 Uce 進(jìn)行監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)對(duì) IGBT 的保護(hù)。

采用本文介紹的 IGBT 短路保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，同時(shí)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(gè)系統(tǒng)的成本。實(shí)踐證明，該電路有比較大的實(shí)用價(jià)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(hù)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(dòng)信號(hào)和相關(guān)的器件波形。現(xiàn)以正半波工作過程為例進(jìn)行分析（對(duì)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(dòng)信號(hào)加在下半橋兩只 IGBT 的柵極上，得到管壓降波形 UT2D。其工作過程分析如下：在 t1～t2 時(shí)刻，受驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用，T2、T4 導(dǎo)通（實(shí)際上是 T2 導(dǎo)通， T4 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 UT2D 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(shí)的體電阻上產(chǎn)生的壓降;在 t2～t3 時(shí)刻，T2、T4 關(guān)斷，由于電感 LS 中有儲(chǔ)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(shí)的管壓降的值，應(yīng)該將在 t1～t2 時(shí)刻 IGBT 導(dǎo)通時(shí)的管壓降保留，而將在 t2～t3 時(shí)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(jì)采樣電路時(shí)應(yīng)給予足夠的考慮。

根據(jù)以上的分析可知，在正常情況下，IGBT 導(dǎo)通時(shí)的管壓降 Uce（sat）的值都比較低，通常都小于器件手冊(cè)給出的數(shù)據(jù) Uce（sat）的額定值。但是，如果 H 型橋式變換電路發(fā)生故障（如同一側(cè)橋臂上的上下兩只 IGBT 同時(shí)導(dǎo)通的 “直通”現(xiàn)象），則這時(shí)在下管 IGBT 的 C～E 極兩端將會(huì)產(chǎn)生比正常值大很多的管電壓。若能將此故障時(shí)的管壓降值快速地檢測出來，就可以作為對(duì) IGBT 進(jìn)行保護(hù)的依據(jù)，從而對(duì) IGBT 實(shí)施有效的保護(hù)。

2 、短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

由對(duì)圖 1 所示電路的分析，可以得到 IGBT 短路保護(hù)電路的原理電路圖。IC4 及其外圍器件構(gòu)成選通邏輯電路，由 IC5 及其外圍器件構(gòu)成濾波及放大電路，IC2 及其外圍器件構(gòu)成門限比較電路，IC1 及其外圍器件構(gòu)成保持電路。正常情況下，D1、D2、D3 的陰極所連接的 IC2D、IC2C 及 CD4011 的輸出均為高電平，IC1 的輸出狀態(tài)不會(huì)改變。假設(shè)由于某種原因，在給 T2 發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)候，H 型橋式 PWM 變換電路的左半橋下管 T2 的管壓降異常升高（設(shè)電平值為“高”），即 UT2-d 端電壓異常升高，則該高電平 UT2-d 通過 R2 加在 D8 的陰極;同時(shí)，發(fā)給 T2 的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)也加在二極管 D5 的陰極。對(duì) IC2C 來說，其反相輸入端為高電平，若該電平值大于同相輸入端的門檻電平值的話，則 IC2C 輸出為“低”。該“低”電平通過 D2 加在 R-S 觸發(fā)器 IC1 的 R 輸入端，使其輸出端 Q 的輸出電平翻轉(zhuǎn)，向控制系統(tǒng)發(fā)出 IGBT 故障報(bào)警信號(hào)。如果是由于右半橋下管 T4 的管壓降異常升高而引起 IC2D 輸出為“低”，則該“低”電平通過 D5 加在 R-S 觸發(fā)器 IC1 的 R 輸入端，使其輸出端 Q 的輸出電平翻轉(zhuǎn)，向控制系統(tǒng)發(fā)出 IGBT 故障報(bào)警信號(hào)。由 IC5A 和 IC5C 及其外圍器件構(gòu)成的濾波及放大電路將選通電路送來的描述 IGBT 管壓降的電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，送給由 IC5B 構(gòu)成的加法器進(jìn)行運(yùn)算處理。若加法器的輸出電平大于由 R22 和 R32 確定的門檻電平，則會(huì)使 R-S 觸發(fā)器 IC1 的 R 端的第三個(gè)輸入端為“低”，也向控制系統(tǒng)發(fā)出 IGBT 故障報(bào)警信號(hào)。改變由 R22 和 R32 確定的門檻電平，就可以靈活地改變這第三路報(bào)警信號(hào)所代表的物理意義，從而靈活地設(shè)計(jì)保護(hù)電路。端子 T4-d、T2-d，分別接在 T4、T2 的集電極上，T4-G、T2-G 分別接 IGBT 器件 T4、T2 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意的是，D8、D5、D9、D4 必須采用快速恢復(fù)二極管。

3、仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)圖 1 所示的 PWM 變換器工作在單相高頻整流模式下，應(yīng)用 PSPICE 仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真研究。仿真波形相當(dāng)于在電路中 IC5B 的第 7 腳觀察到的信號(hào)波形。仿真結(jié)果表明，檢測電路可以快速、有效地將 PWM 變換器的下管導(dǎo)通時(shí)的管壓降檢測出來。圖 3 所示波形是實(shí)際電路工作時(shí)檢測到的相關(guān)波形。圖中，1#通道顯示的是單相高頻整流電感電流的給定波形，2#通道顯示的是實(shí)際檢測到電路中 IC5B 的第 7 腳的工作波形。比較圖 2 和圖 3 可以得出，該檢測電路可以快速、有效地檢測出 IGBT 導(dǎo)通時(shí)的管壓降，從而對(duì) IGBT 實(shí)施有效的保護(hù)。

圖 4 所示為 IGBT 過流時(shí)實(shí)際檢測到的 PFC 電感中流過的電流及保護(hù)電路動(dòng)作的波形。

電路實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，本文介紹的 IGBT 短路保護(hù)電路可以有效地對(duì) IGBT 實(shí)施保護(hù)，成本低，動(dòng)作可靠。實(shí)踐證明，該電路有比較大的實(shí)用價(jià)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 3KVA 高頻逆變器中。

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