電力變換裝置中短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

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(hù)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，給出了幾種實(shí)用的電流保護(hù)電路，并對(duì)其工作機(jī)理進(jìn)行了詳盡的剖析，以便變通使用。

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

0??? 引言

??? 由于電力變換裝置均工作在大功率環(huán)境中，過(guò)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(hù)設(shè)計(jì)是必須的。而過(guò)流相對(duì)于短路對(duì)變換裝置的危害要小，再加上各種資料對(duì)過(guò)流保護(hù)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(hù)的設(shè)計(jì)。

??? 現(xiàn)代電力變換裝置均采用大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件，其所能承受的電流過(guò)載能力相對(duì)于旋轉(zhuǎn)變流裝置要低得多，如IGBT一般只能承受幾十個(gè)μs甚至幾個(gè)μs的過(guò)載電流，一旦短路發(fā)生就要求保護(hù)電路能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，切斷短路電流，使開(kāi)關(guān)器件不致于因過(guò)流而損壞。但是，在短路情況下迅速關(guān)斷開(kāi)關(guān)器件，將導(dǎo)致負(fù)載電流下降過(guò)快而產(chǎn)生過(guò)大的di/dt，由于引線電感和漏感的存在，過(guò)大的di/dt將產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，而使開(kāi)關(guān)器件面臨過(guò)壓擊穿的危險(xiǎn)。對(duì)于IGBT，過(guò)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(jì)電力變換裝置短路保護(hù)，以確保電流保護(hù)的有效性。

1??? 短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

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

1.1??? 過(guò)流信息檢測(cè)

??? 為了實(shí)現(xiàn)IGBT的短路保護(hù)，必須進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)。適用于過(guò)流檢測(cè)方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測(cè)IGBT的電流I_c，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷；也可以檢測(cè)過(guò)流時(shí)IGBT的集射極電壓V_ce，因?yàn)楣軌航岛卸搪冯娏鞯男畔?，過(guò)流時(shí)V_ce將增大，且基本上與I_c呈線性關(guān)系，故檢測(cè)過(guò)流時(shí)的V_ce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷，也可完成過(guò)流保護(hù)。

1.2??? 降柵壓軟關(guān)斷半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件

??? 在短路電流出現(xiàn)時(shí)，為了避免關(guān)斷IGBT時(shí)di/dt過(guò)大形成過(guò)電壓，導(dǎo)致IGBT失控或過(guò)壓損壞，通常采用降柵壓的軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。即在檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)后首先是進(jìn)入降柵壓保護(hù)，以降低故障電流的幅值，延長(zhǎng)IGBT承受過(guò)載電流的時(shí)間。在降柵壓動(dòng)作后，設(shè)定一個(gè)固定延遲時(shí)間以判斷故障電流的真實(shí)性，如在延遲時(shí)間內(nèi)故障消失則柵壓自動(dòng)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(hù)技術(shù)可使故障電流的幅值和下降率以及過(guò)電壓都受到限制，使IGBT的運(yùn)行軌跡處于安全區(qū)內(nèi)。

??? 在設(shè)計(jì)降柵壓軟關(guān)斷保護(hù)電路時(shí)，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(shí)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。如果降柵壓幅度較小（比如5V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(guò)高的過(guò)電壓。

1.3??? 降頻“打嗝”的保護(hù)

??? 在大功率負(fù)載中為了使電源在短時(shí)間的短路故障狀態(tài)下不中斷工作，又能避免連續(xù)進(jìn)行短路保護(hù)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(hù)，待故障消除后又恢復(fù)正常工作。降頻“打嗝”的保護(hù)并非每個(gè)保護(hù)電路都必需。

2??? 幾種實(shí)用的IGBT短路保護(hù)電路及工作原理

2.1??? 利用短路時(shí)V_ce增大實(shí)現(xiàn)的短路保護(hù)電路

??? 圖1是利用IGBT短路時(shí)V_ce增大的原理實(shí)現(xiàn)保護(hù)的電路，專用于EXB841驅(qū)動(dòng)電路。如果發(fā)生短路，含有IGBT過(guò)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(dòng)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(hù)。該電路的特點(diǎn)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(cè)的準(zhǔn)確性，同時(shí)，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(jiǎn)單可靠。

圖1??? 利用過(guò)流時(shí)IGBT的V_ce增大實(shí)現(xiàn)的短路保護(hù)電路

2.2??? 利用電流互感器實(shí)現(xiàn)的短路保護(hù)電路

??? 圖2是利用電流互感器實(shí)現(xiàn)過(guò)流檢測(cè)的IGBT短路保護(hù)電路。其中電流互感器TA的初級(jí)串接在IGBT的集電極電路中，次級(jí)感應(yīng)的過(guò)流信號(hào)經(jīng)整流后送至比較器IC₁的同相輸入端，與反相端的基準(zhǔn)電壓V_ref進(jìn)行比較，IC₁輸出V_B至具有正反饋的比較器IC₂的同相輸入端C點(diǎn)，由IC₂的輸出經(jīng)R8接至EXB841的腳6上。不過(guò)流時(shí)，IC₁的V_A小于V_ref，輸出V_B為低電平約0.2V，經(jīng)R₁送到IC₂比較器的同相端C形成V_C，因此時(shí)V_C小于V_ref，IC₂輸出為低電平，EXB841正常工作。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，電流互感器檢測(cè)到的整流電壓將升高，V_A大于V_ref，V_B為高電平，由R1給C3充電，經(jīng)一定的延時(shí)后，V_rC將大于V_ref，IC₂輸出高電平，EXB841保護(hù)電路工作，使IGBT降柵壓軟關(guān)斷。IGBT關(guān)閉后，電流互感器初級(jí)無(wú)電流流過(guò)，使V_A又小于V_ref，V_rB又回到0.2V左右，C₃經(jīng)R₁放電，當(dāng)V_C小于V_ref時(shí)，IC₂輸出低電平，電路重新進(jìn)入工作狀態(tài)。如果過(guò)流繼續(xù)存在，保護(hù)電路又恢復(fù)到原來(lái)的限流保護(hù)工作狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)使EXB841的輸出驅(qū)動(dòng)波形處于間隔輸出狀態(tài)，使IGBT輸出電流有效值減小，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。電位器W1用于

圖2??? 利用電流互感器實(shí)現(xiàn)的短路保護(hù)電路

??? 調(diào)整IC₁比較器過(guò)流動(dòng)作閾值。電容器C₃可經(jīng)D₅和R₅快速充電，經(jīng)R₁慢速放電，只要合理地選擇R₁，R₅和C₃的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)EXB841比較快關(guān)閉IGBT而較慢恢復(fù)IGBT。正反饋電阻R₇保證IC₂比較器具有遲滯特性，和R₁和C₃充放電電路一起，保證IC₂輸出不致于在高、低電平之間頻繁變化，使IGBT頻繁開(kāi)通、關(guān)斷而損壞，提高了電路的可靠性。

2.3??? 利用短路V_ce和電流互感器過(guò)流檢測(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)的短路保護(hù)電路

??? 圖3是利用IGBT過(guò)流集電極電壓檢測(cè)和電流互感器過(guò)流檢測(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)的短路保護(hù)電路。當(dāng)負(fù)載短路（或IGBT因其它故障過(guò)流）時(shí)，IGBT的V_ce將增大，V_D1關(guān)斷，導(dǎo)致由R₁提供的電流經(jīng)R₂和R₃分壓器提供的電壓，使V₃導(dǎo)通，從而使IGBT柵極電壓由V_D3所限制而降壓，限制了IGBT峰值電流的幅度，該電壓同時(shí)經(jīng)R₅及C₃延遲使V₂導(dǎo)通，送去軟關(guān)斷信號(hào)。為了提高短路保護(hù)電路的可靠性，圖3電路還增加了短路電路檢測(cè)保護(hù)，它是由電流互感器TA，整流橋U和IC₁等組成，短路發(fā)生時(shí)經(jīng)電流傳感器TA檢測(cè)出短路電流信號(hào)，使比較器IC₁輸出高電平，該高電平一方面使V₃管導(dǎo)通，完成IGBT的降柵壓保護(hù)，另一方面由V₂導(dǎo)通進(jìn)行IGBT軟關(guān)斷保護(hù)。

圖3??? 利用短路V_ce和過(guò)電流檢測(cè)同時(shí)實(shí)現(xiàn)的短路保護(hù)電路

2.4??? 具有降柵壓軟關(guān)斷及降低工作頻率的綜合短路保護(hù)電路

??? 圖4是一具有降柵壓軟關(guān)斷及降低工作頻率的綜合短路保護(hù)電路。

圖4??? 具有降柵壓軟關(guān)斷及降低工作頻率的綜合短路保護(hù)電路

??? 正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)V_i為低電平，光耦IC₄不導(dǎo)通，V₁及V₃導(dǎo)通，輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓V_E，IGBT（V₄）關(guān)斷；當(dāng)驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)V_i為高電平時(shí)，光耦I(lǐng)C₄導(dǎo)通，V₁截止而V₂導(dǎo)通，輸出正驅(qū)動(dòng)電壓V_C1，功率開(kāi)關(guān)管IGBT導(dǎo)通。發(fā)生短路故障時(shí)，IGBT集電極電壓V_ce增大，由于V_D5截止導(dǎo)致比較器IC₁輸出高電平，V₅導(dǎo)通，由VD2限壓實(shí)現(xiàn)對(duì)V₂降柵壓，從而實(shí)現(xiàn)了IGBT軟降柵壓保護(hù)，V₂降柵壓幅度由穩(wěn)壓管V_D2決定，軟降柵壓時(shí)間由R₆和C₁決定約為2μs。IC₁輸出的高電平同時(shí)經(jīng)R₇對(duì)C₂進(jìn)行充電延時(shí)約5～15μs后，C₂上電壓達(dá)到穩(wěn)壓管V_D4的擊穿電壓，V₆導(dǎo)通。V₆導(dǎo)通后，一方面使光耦I(lǐng)C₅導(dǎo)通啟動(dòng)降頻過(guò)流保護(hù)電路工作，另一方面由R₉和C₃形成約3μs的軟關(guān)斷柵壓，完成對(duì)IGBT軟關(guān)斷柵壓保護(hù)。

??? V₅導(dǎo)通時(shí)，V₇經(jīng)C₄和R₁₀電路形成的基極電流導(dǎo)通約20μs，在降柵壓保護(hù)后將輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)閉鎖一段時(shí)間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號(hào)，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過(guò)電壓，使驅(qū)動(dòng)電路在故障存在的情況下能執(zhí)行一個(gè)完整的降柵壓和軟關(guān)斷保護(hù)過(guò)程。

??? 降頻過(guò)流保護(hù)電路主要由時(shí)基555電路（IC₂），光耦I(lǐng)C₅，V₈和V₉三極管等組成。V₆導(dǎo)通時(shí)，光耦I(lǐng)C₅導(dǎo)通，時(shí)基電路IC₂的觸發(fā)腳2獲得負(fù)觸發(fā)信號(hào)，555腳3輸出高電平，V₉導(dǎo)通，IC₃與門(mén)被封鎖，封鎖時(shí)間由定時(shí)元件R₁₅和C₅決定（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)將工作在所謂的“打嗝”狀態(tài)，避免了發(fā)生短路故障后仍工作在原來(lái)的頻率下，而頻繁進(jìn)行短路保護(hù)導(dǎo)致熱積累而損壞IGBT。只要故障消失，電路又能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

2.5??? 具有檢測(cè)高頻交流電流短路的保護(hù)電路

??? 該電路如圖5所示。R4為輸出電流取樣電阻，電路正常工作時(shí)，IC1的輸出電壓UA不足以使D₃（9.1V）或D₄（9.1V）擊穿導(dǎo)通，V₁和V₂均不導(dǎo)通，IC₂不工作，V₃導(dǎo)通輸出低電平，EXB841驅(qū)動(dòng)電路正常工作。如果電路有過(guò)流現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，假定發(fā)生在正半周，IC₁輸出的UA為負(fù)電壓，使得D₃擊穿，D₄導(dǎo)通，V₂導(dǎo)通，電流經(jīng)D₂，R₈，V₂，R₁，使光耦I(lǐng)C₂導(dǎo)通，輸出過(guò)流信號(hào)，V₃截止輸出高電平。若負(fù)半周過(guò)流發(fā)生，IC₁輸出UA為正電壓，使D₄擊穿，D₃導(dǎo)通，V₁導(dǎo)通，電流經(jīng)R₇，V₁，R₈和D₁，使IC₂通電工作，V₃截止輸出高電平。當(dāng)V₃截止輸出高電平時(shí)，啟動(dòng)EXB841內(nèi)部短路降柵壓軟關(guān)斷電路工作，完成對(duì)IGBT的保護(hù)。這樣，只要電路有過(guò)流現(xiàn)象發(fā)生，保護(hù)電路就會(huì)立即動(dòng)作，對(duì)電路進(jìn)行有效地保護(hù)，防止損壞IGBT。該電路對(duì)低頻交流電路和直流電路短路電流保護(hù)同樣有效。由于PN結(jié)穩(wěn)壓值隨溫度升高而升高，而PN結(jié)正向?qū)ㄖ惦S溫度升高而降低，故D3及D4反向串聯(lián)具有良好溫度補(bǔ)償作用，使電路熱穩(wěn)定性相當(dāng)好。

圖5??? 具有檢測(cè)高頻交流電流短路的保護(hù)電路

3??? 結(jié)語(yǔ)

??? 對(duì)電力變換裝置的短路保護(hù)至關(guān)重要，應(yīng)針對(duì)不同的變換模式和變換拓?fù)?，進(jìn)行短路保護(hù)的設(shè)計(jì)，以確保短路發(fā)生時(shí)保護(hù)電路能有效地達(dá)到保護(hù)的目的。還須指出的是，由于電力變換裝置工作在大功率下的惡劣環(huán)境中，各種突發(fā)故障隨時(shí)都有可能發(fā)生，只有電流保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要有防浪涌的軟啟動(dòng)、過(guò)欠壓、過(guò)熱、缺相等保護(hù)，以組成完善的保護(hù)系統(tǒng)，只有這樣才能確保其安全運(yùn)行。