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

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(yīng)的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC₁的同相輸入端，與反相端的基準電壓V_ref進行比較，IC₁輸出V_B至具有正反饋的比較器IC₂的同相輸入端C點，由IC₂的輸出經(jīng)R8接至EXB841的腳6上。不過流時，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V_C小于V_ref，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，V_A大于V_ref，V_B為高電平，由R1給C3充電，經(jīng)一定的延時后，V_rC將大于V_ref，IC₂輸出高電平，EXB841保護電路工作，使IGBT降柵壓軟關(guān)斷。IGBT關(guān)閉后，電流互感器初級無電流流過，使V_A又小于V_ref，V_rB又回到0.2V左右，C₃經(jīng)R₁放電，當V_C小于V_ref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(fù)到原來的限流保護工作狀態(tài)，反復(fù)循環(huán)使EXB841的輸出驅(qū)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

圖2??? 利用電流互感器實現(xiàn)的短路保護電路

??? 調(diào)整IC₁比較器過流動作閾值。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V_ce將增大，V_D1關(guān)斷，導致由R₁提供的電流經(jīng)R₂和R₃分壓器提供的電壓，使V₃導通，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，該電壓同時經(jīng)R₅及C₃延遲使V₂導通，送去軟關(guān)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測保護，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(jīng)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(guān)斷保護。

圖3??? 利用短路V_ce和過電流檢測同時實現(xiàn)的短路保護電路

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電路

??? 正常工作時，驅(qū)動輸入信號V_i為低電平，光耦IC₄不導通，V₁及V₃導通，輸出負驅(qū)動電壓V_E，IGBT（V₄）關(guān)斷；當驅(qū)動輸入信號V_i為高電平時，光耦I(lǐng)C₄導通，V₁截止而V₂導通，輸出正驅(qū)動電壓V_C1，功率開關(guān)管IGBT導通。發(fā)生短路故障時，IGBT集電極電壓V_ce增大，由于V_D5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V_D2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(jīng)R₇對C₂進行充電延時約5～15μs后，C₂上電壓達到穩(wěn)壓管V_D4的擊穿電壓，V₆導通。V₆導通后，一方面使光耦I(lǐng)C₅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(guān)斷柵壓，完成對IGBT軟關(guān)斷柵壓保護。

??? V₅導通時，V₇經(jīng)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(qū)動信號閉鎖一段時間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過電壓，使驅(qū)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(guān)斷保護過程。

??? 降頻過流保護電路主要由時基555電路（IC₂），光耦I(lǐng)C₅，V₈和V₉三極管等組成。V₆導通時，光耦I(lǐng)C₅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(qū)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(fù)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

??? 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(qū)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(jīng)D₂，R₈，V₂，R₁，使光耦I(lǐng)C₂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(jīng)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(nèi)部短路降柵壓軟關(guān)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(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)具有良好溫度補償作用，使電路熱穩(wěn)定性相當好。

圖5??? 具有檢測高頻交流電流短路的保護電路

3??? 結(jié)語

??? 對電力變換裝置的短路保護至關(guān)重要，應(yīng)針對不同的變換模式和變換拓撲，進行短路保護的設(shè)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。