一种新型的IGBT短路保护电路的设计
时间：03-09
来源：互联网
点击：
摘要：提出了一种直接检测ＩＧＢＴ发生短路故障的方法，在详细分析ＩＧＢＴ短路检测原理的基础上给出了相应的ＩＧＢＴ短路保护电路。仿真及实验结果均证明该电路工作稳定可靠，能很好地对ＩＧＢＴ实施有效的保护。关键词：ＩＧＢＴ 短路保护 电路设计 固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言，电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外，还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。 ＩＧＢＴ是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件开关频率高广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当，它很容易损坏。一般认为ＩＧＢＴ损坏的主要原因有两种：一是ＩＧＢＴ退出饱和区而进入了放大区使得开关损耗增大；二是ＩＧＢＴ发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使ＩＧＢＴ损坏。ＩＧＢＴ的保护通常采用快速自保护的办法即当故障发生时，关断ＩＧＢＴ驱动电路，在驱动电路中实现退饱和保护；
或者当发生短路时，快速地关断ＩＧＢＴ。根据监测对象的不同ＩＧＢＴ的短路保护可分为Ｕｇｅ监测法或Ｕｃｅ监测法二者原理基本相似都是利用集电极电流ＩＣ升高时Ｕｇｅ或Ｕｃｅ也会升高这一现象。当Ｕｇｅ或Ｕｃｅ超过Ｕｇｅｓａｔ或Ｕｃｅｓａｔ时，就自动关断ＩＧＢＴ的驱动电路。由于Ｕｇｅ在发生故障时基本不变，而Ｕｃｅ的变化较大并且当退饱和发生时Ｕｇｅ变化也小难以掌握因而在实践中一般采用Ｕｃｅ监测技术来对ＩＧＢＴ进行保护。本文研究的ＩＧＢＴ保护电路，是通过对ＩＧＢＴ导通时的管压降Ｕｃｅ进行监测来实现对ＩＧＢＴ的保护。 采用本文介绍的ＩＧＢＴ短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。 １ 短路保护的工作原理 图１(ａ)所示为工作在ＰＷＭ整流状态的Ｈ型桥式ＰＷＭ变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只ＩＧＢＴ未画出），图１(ｂ)为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相ＰＷＭ电路，在整流、逆变工作状态或单相ＤＣ／ＤＣ工作状态下，ＰＷＭ电路的分析过程及结论基本类似）。 在图１所示的电路中，在市电电源Ｕｓ的正半周期，将Ｕｇ２.４所示的高频驱动信号加在下半桥两只ＩＧＢＴ的栅极上，得到管压降波形ＵＴ２Ｄ。其工作过程分析如下：在ｔ１～ｔ２时刻，受驱动信号的作用,Ｔ２、Ｔ４导通（实际上是Ｔ２导通, Ｄ４处于续流状态），在Ｕｓ的作用下通过电感ＬＳ的电流增加，在Ｔ２管上形成如图１（ｂ）中ＵＴ２Ｄ所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在ＩＧＢＴ导通时的体电阻上产生的压降；在ｔ２～ｔ３时刻，Ｔ２、Ｔ４关断，由于电感ＬＳ中有储能，因此在电感ＬＳ的作用下，二极管Ｄ２、Ｄ４续流，形成图１（ｂ）中ＵＴ２.Ｄ的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到ＩＧＢＴ导通时的管压降的值，应该将在ｔ１～ｔ２时刻ＩＧＢＴ导通时的管压降保留，而将在ｔ２～ｔ３时刻检测到的ＩＧＢＴ的管压降的值剔除，即将图１（ｂ）中ＵＴ２.Ｄ的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于ＩＧＢＴ的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。图2 IGBT短路保护电路原理图根据以上的分析可知，在正常情况下，ＩＧＢＴ导通时的管压降Ｕｃｅ(ｓａｔ)的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据Ｕｃｅ(ｓａｔ)的额定值。但是，如果Ｈ型桥式变换电路发生故障（如同一侧桥臂上的上下两只ＩＧＢＴ同时导通的 “直通”现象），则这时在下管ＩＧＢＴ的Ｃ～Ｅ极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对ＩＧＢＴ进行保护的依据，从而对ＩＧＢＴ实施有效的保护。
２ 短路保护电路的设计 由对图１所示电路的分析，可以得到ＩＧＢＴ短路保护电路的原理电路图，如图２所示。在图２所示电路中ＩＣ４及其外围器件构成选通逻辑电路，由ＩＣ５及其外围器件构成滤波及放大电路，ＩＣ２及其外围器件构成门限比较电路，ＩＣ１及其外围器件构成保持电路。正常情况下，Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３的阴极所连接的ＩＣ２Ｄ、ＩＣ２Ｃ及ＣＤ４０１１的输出均为高电平，ＩＣ１的输出状态不会改变。假设由于某种原因，在给Ｔ２发驱动信号的时候，Ｈ型桥式ＰＷＭ变换电路的左半桥下管Ｔ２的管压降异常升高（设电平值为“高”），即Ｔ２－ｄ端电压异常升高，则该高电平ＵＴ２－ｄ通过Ｒ２加在Ｄ８的阴极；同时，发给Ｔ２的高电平驱动信号也加在二极管Ｄ５的阴极。对ＩＣ２Ｃ来说，其反相输入端为高电平，若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话，则ＩＣ２Ｃ输出为“低”。该“低”电平通过Ｄ２加在Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ输入端，使其输出端Ｑ的输出电平翻转，向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。如果是由于右半桥下管Ｔ４的管压降异常升高而引起ＩＣ２Ｄ输出为“低”，则该“低”电平通过Ｄ１加在Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ输入端，使其输出端Ｑ的输出电平翻转，向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。由ＩＣ５Ａ和ＩＣ５Ｃ及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述ＩＧＢＴ管压降的电压信号进行预处理后，送给由ＩＣ５Ｂ构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由Ｒ２２和Ｒ３２确定的门槛电平，则会使Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ端的第三个输入端为“低”，也向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。改变由Ｒ２２和Ｒ３２确定的门槛电平，就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义，从而灵活地设计保护电路。图２中的端子Ｔ４－ｄ、Ｔ２－ｄ，分别接在Ｔ４、Ｔ２的集电极上，Ｔ４－Ｇ、Ｔ２－Ｇ分别接ＩＧＢＴ器件Ｔ４、Ｔ２的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是，Ｄ８、Ｄ５、Ｄ９、Ｄ４必须采用快速恢复二极管。
３ 仿真及实验结果 当图１所示的ＰＷＭ变换器工作在单相高频整流模式下，应用ＰＳＰＩＣＥ仿真软件对图２所示的电路进行仿真研究，可以得到如图３所示的结果。图３所示的仿真波形相当于在图２电路中ＩＣ５Ｂ的第７脚观察到的信号波形。仿真结果表明，检测电路可以快速、有效地将ＰＷＭ变换器的下管导通时的管压降检测出来。图４所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中，１＃通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形，２＃通道显示的是实际检测到的图２电路中ＩＣ５Ｂ的第７脚的工作波形。比较图３和图４可以得出，该检测电路可以快速、有效地检测出ＩＧＢＴ导通时的管压降，从而对ＩＧＢＴ实施有效的保护。
图５所示为ＩＧＢＴ过流时实际检测到的ＰＦＣ电感中流过的电流及保护电路动作的波形。 电路实际运行结果证明，本文介绍的ＩＧＢＴ短路保护电路可以有效地对ＩＧＢＴ实施保护，成本低，动作可靠。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型３ＫＶＡ高频逆变器中。
或者当发生短路时，快速地关断ＩＧＢＴ。根据监测对象的不同ＩＧＢＴ的短路保护可分为Ｕｇｅ监测法或Ｕｃｅ监测法二者原理基本相似都是利用集电极电流ＩＣ升高时Ｕｇｅ或Ｕｃｅ也会升高这一现象。当Ｕｇｅ或Ｕｃｅ超过Ｕｇｅｓａｔ或Ｕｃｅｓａｔ时，就自动关断ＩＧＢＴ的驱动电路。由于Ｕｇｅ在发生故障时基本不变，而Ｕｃｅ的变化较大并且当退饱和发生时Ｕｇｅ变化也小难以掌握因而在实践中一般采用Ｕｃｅ监测技术来对ＩＧＢＴ进行保护。本文研究的ＩＧＢＴ保护电路，是通过对ＩＧＢＴ导通时的管压降Ｕｃｅ进行监测来实现对ＩＧＢＴ的保护。 采用本文介绍的ＩＧＢＴ短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。 １ 短路保护的工作原理 图１(ａ)所示为工作在ＰＷＭ整流状态的Ｈ型桥式ＰＷＭ变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只ＩＧＢＴ未画出），图１(ｂ)为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相ＰＷＭ电路，在整流、逆变工作状态或单相ＤＣ／ＤＣ工作状态下，ＰＷＭ电路的分析过程及结论基本类似）。 在图１所示的电路中，在市电电源Ｕｓ的正半周期，将Ｕｇ２.４所示的高频驱动信号加在下半桥两只ＩＧＢＴ的栅极上，得到管压降波形ＵＴ２Ｄ。其工作过程分析如下：在ｔ１～ｔ２时刻，受驱动信号的作用,Ｔ２、Ｔ４导通（实际上是Ｔ２导通, Ｄ４处于续流状态），在Ｕｓ的作用下通过电感ＬＳ的电流增加，在Ｔ２管上形成如图１（ｂ）中ＵＴ２Ｄ所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在ＩＧＢＴ导通时的体电阻上产生的压降；在ｔ２～ｔ３时刻，Ｔ２、Ｔ４关断，由于电感ＬＳ中有储能，因此在电感ＬＳ的作用下，二极管Ｄ２、Ｄ４续流，形成图１（ｂ）中ＵＴ２.Ｄ的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到ＩＧＢＴ导通时的管压降的值，应该将在ｔ１～ｔ２时刻ＩＧＢＴ导通时的管压降保留，而将在ｔ２～ｔ３时刻检测到的ＩＧＢＴ的管压降的值剔除，即将图１（ｂ）中ＵＴ２.Ｄ的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于ＩＧＢＴ的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。图2 IGBT短路保护电路原理图根据以上的分析可知，在正常情况下，ＩＧＢＴ导通时的管压降Ｕｃｅ(ｓａｔ)的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据Ｕｃｅ(ｓａｔ)的额定值。但是，如果Ｈ型桥式变换电路发生故障（如同一侧桥臂上的上下两只ＩＧＢＴ同时导通的 “直通”现象），则这时在下管ＩＧＢＴ的Ｃ～Ｅ极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对ＩＧＢＴ进行保护的依据，从而对ＩＧＢＴ实施有效的保护。２ 短路保护电路的设计 由对图１所示电路的分析，可以得到ＩＧＢＴ短路保护电路的原理电路图，如图２所示。在图２所示电路中ＩＣ４及其外围器件构成选通逻辑电路，由ＩＣ５及其外围器件构成滤波及放大电路，ＩＣ２及其外围器件构成门限比较电路，ＩＣ１及其外围器件构成保持电路。正常情况下，Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３的阴极所连接的ＩＣ２Ｄ、ＩＣ２Ｃ及ＣＤ４０１１的输出均为高电平，ＩＣ１的输出状态不会改变。假设由于某种原因，在给Ｔ２发驱动信号的时候，Ｈ型桥式ＰＷＭ变换电路的左半桥下管Ｔ２的管压降异常升高（设电平值为“高”），即Ｔ２－ｄ端电压异常升高，则该高电平ＵＴ２－ｄ通过Ｒ２加在Ｄ８的阴极；同时，发给Ｔ２的高电平驱动信号也加在二极管Ｄ５的阴极。对ＩＣ２Ｃ来说，其反相输入端为高电平，若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话，则ＩＣ２Ｃ输出为“低”。该“低”电平通过Ｄ２加在Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ输入端，使其输出端Ｑ的输出电平翻转，向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。如果是由于右半桥下管Ｔ４的管压降异常升高而引起ＩＣ２Ｄ输出为“低”，则该“低”电平通过Ｄ１加在Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ输入端，使其输出端Ｑ的输出电平翻转，向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。由ＩＣ５Ａ和ＩＣ５Ｃ及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述ＩＧＢＴ管压降的电压信号进行预处理后，送给由ＩＣ５Ｂ构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由Ｒ２２和Ｒ３２确定的门槛电平，则会使Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ端的第三个输入端为“低”，也向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。改变由Ｒ２２和Ｒ３２确定的门槛电平，就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义，从而灵活地设计保护电路。图２中的端子Ｔ４－ｄ、Ｔ２－ｄ，分别接在Ｔ４、Ｔ２的集电极上，Ｔ４－Ｇ、Ｔ２－Ｇ分别接ＩＧＢＴ器件Ｔ４、Ｔ２的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是，Ｄ８、Ｄ５、Ｄ９、Ｄ４必须采用快速恢复二极管。３ 仿真及实验结果 当图１所示的ＰＷＭ变换器工作在单相高频整流模式下，应用ＰＳＰＩＣＥ仿真软件对图２所示的电路进行仿真研究，可以得到如图３所示的结果。图３所示的仿真波形相当于在图２电路中ＩＣ５Ｂ的第７脚观察到的信号波形。仿真结果表明，检测电路可以快速、有效地将ＰＷＭ变换器的下管导通时的管压降检测出来。图４所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中，１＃通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形，２＃通道显示的是实际检测到的图２电路中ＩＣ５Ｂ的第７脚的工作波形。比较图３和图４可以得出，该检测电路可以快速、有效地检测出ＩＧＢＴ导通时的管压降，从而对ＩＧＢＴ实施有效的保护。图５所示为ＩＧＢＴ过流时实际检测到的ＰＦＣ电感中流过的电流及保护电路动作的波形。 电路实际运行结果证明，本文介绍的ＩＧＢＴ短路保护电路可以有效地对ＩＧＢＴ实施保护，成本低，动作可靠。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型３ＫＶＡ高频逆变器中。 分立器件 转换器 稳压器 数字电源 背光驱动 电源模块 电池管理 网络通信 消费电子 汽车电子 电源管理 相关文章：
- 基于TPS2393A实现大电流热插拔应用的设计方案(01-28)
- 基于一个基于分立器件的自动恒流充电电路设计(11-23)
- 新型流体电池技术可实现更廉价有效的能量存储(08-19)
- 针对便携式设备充电电路的分立器件保护方案(11-11)
- 延长UPS电源寿命的四大方法(05-27)
- 一款可替代集成 MOSFET 驱动器的卓越解决方案(04-18)