电力变换装置中短路保护电路的设计

摘要：为了使电力变换装置能够安全可靠地工作，在分析其短路保护设计方法的基础上，给出了几种实用的电流保护电路，并对其工作机理进行了详尽的剖析，以便变通使用。

关键词：电力变换；过流保护；短路保护；软关断；降低栅压保护

0 引言

由于电力变换装置均工作在大功率环境中，过流和短路是不可避免的。为了确保电力变换装置安全可靠地工作，有效的电流保护设计是必须的。而过流相对于短路对变换装置的危害要小，再加上各种资料对过流保护介绍得比较多，故在此主要讨论电力变换装置中的短路保护的设计。

现代电力变换装置均采用大功率半导体开关器件，其所能承受的电流过载能力相对于旋转变流装置要低得多，如IGBT一般只能承受几十个μs甚至几个μs的过载电流，一旦短路发生就要求保护电路能在尽可能短的时间内关断开关器件，切断短路电流，使开关器件不致于因过流而损坏。但是，在短路情况下迅速关断开关器件，将导致负载电流下降过快而产生过大的di/dt，由于引线电感和漏感的存在，过大的di/dt将产生很高的过电压，而使开关器件面临过压击穿的危险。对于IGBT，过高的电压又可能导致器件内部产生擎住效应失控而损坏器件。因此，必须综合考虑和设计电力变换装置短路保护，以确保电流保护的有效性。

1 短路保护电路的设计

由于IGBT综合了场效应管输入阻抗高，驱动功率小和双极晶体管电压容量大，电流密度高的优点，而成为了现代电力变换装置中使用最广泛的一种开关器件，下面以其为保护对象进行讨论。

1.1 过流信息检测

为了实现IGBT的短路保护，必须进行过流检测。适用于过流检测方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流I_c，然后与设定的阈值进行比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；也可以检测过流时IGBT的集射极电压V_ce，因为管压降含有短路电流的信息，过流时V_ce将增大，且基本上与I_c呈线性关系，故检测过流时的V_ce并与设定的阈值进行比较，用比较器的输出控制驱动电路的关断，也可完成过流保护。

1.2 降栅压软关断半导体开关器件

在短路电流出现时，为了避免关断IGBT时di/dt过大形成过电压，导致IGBT失控或过压损坏，通常采用降栅压的软关断综合保护技术。即在检测到过流信号后首先是进入降栅压保护，以降低故障电流的幅值，延长IGBT承受过载电流的时间。在降栅压动作后，设定一个固定延迟时间以判断故障电流的真实性，如在延迟时间内故障消失则栅压自动恢复；如故障仍然存在则执行软关断，使栅压降至0V以下，最终关断IGBT。采用降栅压软关断综合保护技术可使故障电流的幅值和下降率以及过电压都受到限制，使IGBT的运行轨迹处于安全区内。

在设计降栅压软关断保护电路时，要正确选择降栅压的幅度和速度。如果降栅压幅度较大（如7.5V以上），则降栅压的速度就不要太快，一般采用2μs左右的下降时间。由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，则封锁栅极可快些，不必采用软关断。如果降栅压幅度较小（比如5V以下），则降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免产生过高的过电压。

1.3 降频“打嗝”的保护

在大功率负载中为了使电源在短时间的短路故障状态下不中断工作，又能避免连续进行短路保护产生热积累而损坏IGBT，可采用使工作频率降低的方法形成间歇“打嗝”的保护，待故障消除后又恢复正常工作。降频“打嗝”的保护并非每个保护电路都必需。

2 几种实用的IGBT短路保护电路及工作原理

2.1 利用短路时V_ce增大实现的短路保护电路

图1是利用IGBT短路时V_ce增大的原理实现保护的电路，专用于EXB841驱动电路。如果发生短路，含有IGBT过流信息的V_ce不直接送至EXB841的IGBT集电极电压监视脚6上，而是快速关断快速恢复二极管V_D1，使比较器IC₁（LM339)的V＋电压大于V－电压，比较器输出高电平，由V_D2送至EXB841的脚6，启动EXB841内部电路中的降栅压及软关断电路，低速切断电路慢速关断IGBT，既避免了集电极电流尖峰损坏IGBT，又完成了IGBT短路保护。该电路的特点是，消除了由V_D1正向压降随电流不同而引起关断速度不同的差异，提高了电流检测的准确性，同时，由于直接利用EXB841内部电路中的降栅压及软关断功能，整体电路简单可靠。

图1 利用过流时IGBT的V_ce增大实现的短路保护电路

2.2 利用电流互感器实现的短路保护电路

图2是利用电流互感器实现过流检测的IGBT短路保护电路。其中电流互感器TA的初级串接在IGBT的集电极电路中，次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC₁的同相输入端，与反相端的基准电压V_ref进行比较，IC₁输出V_B至具有正反馈的比较器IC₂的同相输入端C点，由IC₂的输出经R8接至EXB841的脚6上。不过流时，IC₁的V_A小于V_ref，输出V_B为低电平约0.2V，经R₁送到IC₂比较器的同相端C形成V_C，因此时V_C小于V_ref，IC₂输出为低电平，EXB841正常工作。当出现过流时，电流互感器检测到的整流电压将升高，V_A大于V_ref，V_B为高电平，由R1给C3充电，经一定的延时后，V_rC将大于V_ref，IC₂输出高电平，EXB841保护电路工作，使IGBT降栅压软关断。IGBT关闭后，电流互感器初级无电流流过，使V_A又小于V_ref，V_rB又回到0.2V左右，C₃经R₁放电，当V_C小于V_ref时，IC₂输出低电平，电路重新进入工作状态。如果过流继续存在，保护电路又恢复到原来的限流保护工作状态，反复循环使EXB841的输出驱动波形处于间隔输出状态，使IGBT输出电流有效值减小，达到保护IGBT的目的。电位器W1用于