电力变换装置中短路保护电路的设计

图2 利用电流互感器实现的短路保护电路

调整IC₁比较器过流动作阈值。电容器C₃可经D₅和R₅快速充电，经R₁慢速放电，只要合理地选择R₁，R₅和C₃的参数，可实现EXB841比较快关闭IGBT而较慢恢复IGBT。正反馈电阻R₇保证IC₂比较器具有迟滞特性，和R₁和C₃充放电电路一起，保证IC₂输出不致于在高、低电平之间频繁变化，使IGBT频繁开通、关断而损坏，提高了电路的可靠性。

2.3 利用短路V_ce和电流互感器过流检测同时实现的短路保护电路

图3是利用IGBT过流集电极电压检测和电流互感器过流检测同时实现的短路保护电路。当负载短路（或IGBT因其它故障过流）时，IGBT的V_ce将增大，V_D1关断，导致由R₁提供的电流经R₂和R₃分压器提供的电压，使V₃导通，从而使IGBT栅极电压由V_D3所限制而降压，限制了IGBT峰值电流的幅度，该电压同时经R₅及C₃延迟使V₂导通，送去软关断信号。为了提高短路保护电路的可靠性，图3电路还增加了短路电路检测保护，它是由电流互感器TA，整流桥U和IC₁等组成，短路发生时经电流传感器TA检测出短路电流信号，使比较器IC₁输出高电平，该高电平一方面使V₃管导通，完成IGBT的降栅压保护，另一方面由V₂导通进行IGBT软关断保护。

图3 利用短路V_ce和过电流检测同时实现的短路保护电路

2.4 具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路

图4是一具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路。

图4 具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路

正常工作时，驱动输入信号V_i为低电平，光耦IC₄不导通，V₁及V₃导通，输出负驱动电压V_E，IGBT（V₄）关断；当驱动输入信号V_i为高电平时，光耦IC₄导通，V₁截止而V₂导通，输出正驱动电压V_C1，功率开关管IGBT导通。发生短路故障时，IGBT集电极电压V_ce增大，由于V_D5截止导致比较器IC₁输出高电平，V₅导通，由VD2限压实现对V₂降栅压，从而实现了IGBT软降栅压保护，V₂降栅压幅度由稳压管V_D2决定，软降栅压时间由R₆和C₁决定约为2μs。IC₁输出的高电平同时经R₇对C₂进行充电延时约5～15μs后，C₂上电压达到稳压管V_D4的击穿电压，V₆导通。V₆导通后，一方面使光耦IC₅导通启动降频过流保护电路工作，另一方面由R₉和C₃形成约3μs的软关断栅压，完成对IGBT软关断栅压保护。

V₅导通时，V₇经C₄和R₁₀电路形成的基极电流导通约20μs，在降栅压保护后将输入驱动信号闭锁一段时间，不再响应输入端的关断信号，以避免在故障状态下形成硬关断过电压，使驱动电路在故障存在的情况下能执行一个完整的降栅压和软关断保护过程。

降频过流保护电路主要由时基555电路（IC₂），光耦IC₅，V₈和V₉三极管等组成。V₆导通时，光耦IC₅导通，时基电路IC₂的触发脚2获得负触发信号，555脚3输出高电平，V₉导通，IC₃与门被封锁，封锁时间由定时元件R₁₅和C₅决定（约1.2s），使工作频率降至1Hz以下，驱动器的输出信号将工作在所谓的“打嗝”状态，避免了发生短路故障后仍工作在原来的频率下，而频繁进行短路保护导致热积累而损坏IGBT。只要故障消失，电路又能恢复到正常工作状态。

2.5 具有检测高频交流电流短路的保护电路

该电路如图5所示。R4为输出电流取样电阻，电路正常工作时，IC1的输出电压UA不足以使D₃（9.1V）或D₄（9.1V）击穿导通，V₁和V₂均不导通，IC₂不工作，V₃导通输出低电平，EXB841驱动电路正常工作。如果电路有过流现象出现时，假定发生在正半周，IC₁输出的UA为负电压，使得D₃击穿，D₄导通，V₂导通，电流经D₂，R₈，V₂，R₁，使光耦IC₂导通，输出过流信号，V₃截止输出高电平。若负半周过流发生，IC₁输出UA为正电压，使D₄击穿，D₃导通，V₁导通，电流经R₇，V₁，R₈和D₁，使IC₂通电工作，V₃截止输出高电平。当V₃截止输出高电平时，启动EXB841内部短路降栅压软关断电路工作，完成对IGBT的保护。这样，只要电路有过流现象发生，保护电路就会立即动作，对电路进行有效地保护，防止损坏IGBT。该电路对低频交流电路和直流电路短路电流保护同样有效。由于PN结稳压值随温度升高而升高，而PN结正向导通值随温度升高而降低，故D3及D4反向串联具有良好温度补偿作用，使电路热稳定性相当好。

图5 具有检测高频交流电流短路的保护电路

3 结语

对电力变换装置的短路保护至关重要，应针对不同的变换模式和变换拓扑，进行短路保护的设计，以确保短路发生时保护电路能有效地达到保护的目的。还须指出的是，由于电力变换装置工作在大功率下的恶劣环境中，各种突发故障随时都有可能发生，只有电流保护是远远不够的，还需要有防浪涌的软启动、过欠