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電力變換裝置中短路保護電路的設計
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計方法的基礎上，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。關鍵詞：電力變換；過流保護；短路保護；軟關斷；降低柵壓保護
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計。
現(xiàn)代電力變換裝置均采用大功率半導體開關器件，其所能承受的電流過載能力相對于旋轉變流裝置要低得多，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關斷開關器件，切斷短路電流，使開關器件不致于因過流而損壞。但是，在短路情況下迅速關斷開關器件，將導致負載電流下降過快而產生過大的di/dt，由于引線電感和漏感的存在，過大的di/dt將產生很高的過電壓，而使開關器件面臨過壓擊穿的危險。對于IGBT，過高的電壓又可能導致器件內部產生擎住效應失控而損壞器件。因此，必須綜合考慮和設計電力變換裝置短路保護，以確保電流保護的有效性。
1短路保護電路的設計
由于IGBT綜合了場效應管輸入阻抗高，驅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?，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Ic，然后與設定的閾值進行比較，用比較器的輸出去控制驅動信號的關斷；也可以檢測過流時IGBT的集射極電壓Vce，因為管壓降含有短路電流的信息，過流時Vce將增大，且基本上與Ic呈線性關系，故檢測過流時的Vce并與設定的閾值進行比較，用比較器的輸出控制驅動電路的關斷，也可完成過流保護。
1.2降柵壓軟關斷半導體開關器件
在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關斷IGBT時di/dt過大形成過電壓，導致IGBT失控或過壓損壞，通常采用降柵壓的軟關斷綜合保護技術。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，如在延遲時間內故障消失則柵壓自動恢復；如故障仍然存在則執(zhí)行軟關斷，使柵壓降至0V以下，最終關斷IGBT。采用降柵壓軟關斷綜合保護技術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。
圖2
在設計降柵壓軟關斷保護電路時，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，集電極電流已經較小，則封鎖柵極可快些，不必采用軟關斷。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，即采用軟關斷，以避免產生過高的過電壓。
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Vce增大實現(xiàn)的短路保護電路
圖1是利用IGBT短路時Vce增大的原理實現(xiàn)保護的電路，專用于EXB841驅動電路。如果發(fā)生短路，含有IGBT過流信息的Vce不直接送至EXB841的IGBT集電極電壓監(jiān)視腳6上，而是快速關斷快速恢復二極管VD1，使比較器IC1（LM339)的V＋電壓大于V－電壓，比較器輸出高電平，由VD2送至EXB841的腳6，啟動EXB841內部電路中的降柵壓及軟關斷電路，低速切斷電路慢速關斷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VD1正向壓降隨電流不同而引起關斷速度不同的差異，提高了電流檢測的準確性，同時，由于直接利用EXB841內部電路中的降柵壓及軟關斷功能，整體電路簡單可靠。
2.2利用電流互感器實現(xiàn)的短路保護電路
圖2是利用電流互感器實現(xiàn)過流檢測的IGBT短路保護電路。其中電流互感器TA的初級串接在IGBT的集電極電路中，次級感應的過流信號經整流后送至比較器IC1的同相輸入端，與反相端的基準電壓Vref進行比較，IC1輸出VB至具有正反饋的比較器IC2的同相輸入端C點，由IC2的輸出經R8接至EXB841的腳6上。不過流時，IC1的VA小于Vref，輸出VB為低電平約0.2V，經R1送到IC2
比較器的同相端C形成VC，因此時VC小于Vref，IC2輸出為低電平，EXB841正常工作。當出現(xiàn)過流時，電流互感器檢測到的整流電壓將升高，VA大于Vref，VB為高電平，由R1給C3充電，經一定的延時后，VC將大于Vref，IC2輸出高電平，EXB841保護電路工作，使IGBT降柵壓軟關斷。IGBT關閉后，電流互感器初級無電流流過，使VA又小于Vref，VB又回到0.2V左右，C3經R1放電，當VC小于Vref時，IC2輸出低電平，電路重新進入工作狀態(tài)。如果過流繼續(xù)存在，保護電路又恢復到原來的限流保護工作狀態(tài)，反復循環(huán)使EXB841的輸出驅動波形處于間隔輸出狀態(tài)，使IGBT輸出電流有效值減小，達到保護IGBT的目的。電位器W1用于調整IC1比較器過流動作閾值。電容器C3可經D5和R5快速充電，經R1慢速放電，只要合理地選擇R1，R5和C3的參數(shù)，可實現(xiàn)EXB841比較快關閉IGBT而較慢恢復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頻繁開通、關斷而損壞，提高了電路的可靠性。
圖3
2.3利用短路Vce和電流互感器過流檢測同時實現(xiàn)的短路保護電路
圖3是利用IGBT過流集電極電壓檢測和電流互感器過流檢測同時實現(xiàn)的短路保護電路。當負載短路（或IGBT因其它故障過流）時，IGBT的Vce將增大，VD1關斷，導致由R1提供的電流經R2和R3分壓器提供的電壓，使V3導通，從而使IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓，限制了IGBT峰值電流的幅度，該電壓同時經R5及C3延遲使V2導通，送去軟關斷信號。為了提高短路保護電路的可靠性，圖3電路還增加了短路電路檢?保護，它是由電流互感器TA，整流橋U和IC1等組成，短路發(fā)生時經電流傳感器TA檢測出短路電流信號，使比較器IC1輸出高電平，該高電平一方面使V3管導通，完成IGBT的降柵壓保護，另一方面由V2導通進行IGBT軟關斷保護。
2.4具有降柵壓軟關斷及降低工作頻率的綜合短路保護電路
圖4是一具有降柵壓軟關斷及降低工作頻率的綜合短路保護電路。
正常工作時，驅動輸入信號Vi為低電平，光耦IC4不導通，V1及V3導通，輸出負驅動電壓VE，IGBT（V4）關斷；當驅動輸入信號Vi為高電平時，光耦IC4導通，V1截止而V2導通，輸出正驅動電壓VC1，功率開關管IGBT導通。發(fā)生短路故障時，IGBT集電極電壓Vce增大，由于VD5截止導致比較器IC1輸出高電平，V5導通，由VD2限壓實現(xiàn)對V2降柵壓，從而實現(xiàn)了IGBT軟降柵壓保護，V2降柵壓幅度由穩(wěn)壓管VD2決定，軟降柵壓時間由R6和C1決定約為2μs。IC1輸出的高電平同時經R7對C2進行充電延時約5～15μs后，C2上電壓達到穩(wěn)壓管VD4的擊穿電壓，V6導通。V6導通后，一方面使光耦IC5導通啟動降頻過流保護電路工作，另一方面由R9和C3形成約3μs的軟關斷柵壓，完成對IGBT軟關斷柵壓保護。
圖4
V5導通時，V7經C4和R10電路形成的基極電流導通約20μs，在降柵壓保護后將輸入驅動信號閉鎖一段時間，不再響應輸入端的關斷信號，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關斷過電壓，使驅動電路在故障存在的情況下能執(zhí)行一個完整的降柵壓和軟關斷保護過程。
降頻過流保護電路主要由時基555電路（IC2），光耦IC5，V8和V9三極管等組成。V6導通時，光耦IC5導通，時基電路IC2的觸發(fā)腳2獲得負觸發(fā)信號，555腳3輸出高電平，V9導通，IC3與門被封鎖，封鎖時間由定時元件R15和C5決定（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅動器的輸出信號將工作在所謂的“打嗝”狀態(tài)，避免了發(fā)生短路故障后仍工作在原來的頻率下，而頻繁進行短路保護導致熱積累而損壞IGBT。只要故障消失，電路又能恢復到正常工作狀態(tài)。
2.5具有檢測高頻交流電流短路的保護電路
圖5
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，IC1的輸出電壓UA不足以使D3（9.1V）或D4（9.1V）擊穿導通，V1和V2均不導通，IC2不工作，V3導通輸出低電平，EXB841驅動電路正常工作。如果電路有過流現(xiàn)象出現(xiàn)時，假定發(fā)生在正半周，IC1輸出的UA為負電壓，使得D3擊穿，D4導通，V2導通，電流經D2，R8，V2，R1，使光耦IC2導通，輸出過流信號，V3截止輸出高電平。若負半周過流發(fā)生，IC1輸出UA為正電壓，使D4擊穿，D3導通，V1導通，電流經R7，V1，R8和D1，使IC2通電工作，V3截止輸出高電平。當V3截止輸出高電平時，啟動EXB841內部短路降柵壓軟關斷電路工作，完成對IGBT的保護。這樣，只要電路有過流現(xiàn)象發(fā)生，保護電路就會立即動作，對電路進行有效地保護，防止損壞IGBT。該電路對低頻交流電路和直流電路短路電流保護同樣有效。由于PN結穩(wěn)壓值隨溫度升高而升高，而PN結正向導通值隨溫度升高而降低，故D3及D4反向串聯(lián)具有良好溫度補償作用，使電路熱穩(wěn)定性相當好。
3結語
對電力變換裝置的短路保護至關重要，應針對不同的變換模式和變換拓撲，進行短路保護的設計，以確保短路發(fā)生時保護電路能有效地達到保護的目的。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)故障隨時都有可能發(fā)生，只有電流保護是遠遠不夠的，還需要有防浪涌的軟啟動、過欠壓、過熱、缺相等保護，以組成完善的保護系統(tǒng)，只有這樣才能確保其安全運行。
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