一种新型的igbt短路保护电路的设计

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1、一种新型的IGBT短路保护电路的设计

2、第1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

3、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Ｕｇｅｓａｔ或Ｕｃｅｓａｔ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

4、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

5、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ＵＴ２Ｄ。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ＵＴ２Ｄ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

6、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2IGBT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

7、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

8、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