用于风力发电系统的大功率igbt短路保护的研究

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1、用于风力发电系统的大功率IGBT短路保护的研究风力发电/短路保护/有源电压箝位技术1引言绝缘栅双极型晶体管(InsuIatedGateBipolarTransistor,IGBT)被广泛用于各类PWM变流器，如UPS、变频器、有源电力滤波器等。随着IGBT制造工艺的发展，如今，IGBT的额定电流和电压已分别提升到3600A和6500V,由大功率IGBT构成的现代化兆瓦级变流器，广泛出现在各类工业应用当中，尤其是近年来，随着新能源发电技术的发展，中大功率IGBT得到了更为广泛的应用。随着变流器容量的提升，变流器在整个系统的成本以及可靠性中所占的比重日益增大，因此，兆瓦级变流器的可靠性成为广泛

2、关注的问题。本文针对IGBT变流器中的短路故障问题，详细分析了IGBT的短路特性，总结了各种短路电流检测方法，提出一种有效的有源短路保护方法，通过实验证明了其有效性。2短路时IGBT失效的原因短路故障是电力电子装置中常见的故障之一。电机绕组绝缘击穿、电机电缆绝缘击穿、误操作、驱动指令错误、不足的死区时间……，都会造成短路故障的发生。通常，IGBT短路故障致使IGBT损坏的原因主要有以下三种。总的来说，这三种原因都可以归结为器件中硅材料或焊接导线的热效应所引起。(1)超出硅材料的热极限短路过程中，IGBT承受整个堆电压，同时IC为正常电流的若干倍。IGBT将承受远大于正常运行状态下的损耗，从

3、而使得IGBT的结温迅速升高⑵。如果结温超过了允许的最高结温，IGBT将因热积累作用失去阻断能力⑴。仏将迅速降低，随后整个器件完全损坏。通常，IGBT生产厂家都会保证在特定情况下10ns的短路耐受时间。(2)IGBT擎住效应在IGBT中存在一个寄生的npn三极管，正常运行情况下，这个npn三极管被扩散电阻旁路，不会开通⑴。然而，在IC很大的情况下，例如短路发生时，这个npn三极管将开通，这样IGBTn极将失去对IGBT的控制力。最终，IGBT将因为过大的电流使芯片和焊接导线上产生过大的损耗而损坏。(3)堆过电压在保护电路控制IGBT主动关断由于短路引起的大电流时，由于分布电感的存在会产生仏

4、过电压，沧超过了特定的限制。IGBT将因雪崩击穿而损坏；与短路电流相等的/c将集中于一块很窄的硅上从而产生一个高温的热点，因此，IGBT失去它的阻断能力，并在几十ns内失去电压。为了防止由于这类原因造成IGBT失效，除了主回路的分布电感应尽可能地小[4],还需要一种带有堆控制的门极驱动器。3短路故障的关断过电压通常情况下，IGBT短路故障被分为两类，开通短路（HSF）和通态短路（FUL）。开通短路是指负载短路发生在IGBT开通过程中，如图1a）所示。IGBT在右时刻开始开通，/c迅速升高！d皿由门极驱动电路的特性和IGBT的跨导决定。沧先下降，很短时间后重新开始上升，稳态时，堆略低于IGB

5、T断态电压——直流侧电压%Coa）开通短路b）通态短路图1两种IGBT短路故障特性通态短路是指在IGBT已经开通进入稳定导通状态之后，负载发生短路，如图1b）所示。短路发生后，/c上升，血/皿由短路阻抗和直流侧电压堆决定。当/c升高至由门极电压VGE和IGBT跨导所决定的稳态最大电流后，IGBT将退出饱和区，堆开始升高。14的升高将通过米勒电容氐耦合一个电流对IGBTfl极进行充电，从而使得堆升高。14的升高将使得IC继续增大，从而使得/c表现出很大的过冲，这将导致IGBT擎住现象发生甚至毁坏。仔细观察图1中仏曲线，可以发现，在短路过程中，出现两次过冲。第一次过冲是因为IGBT自身的限流作

6、用，第二次是因为人为的IGBT关斷指令。通常，第二次电压过冲是很高的，如果没有进行妥善的处理，可能造成IGBT因为VCE过电压而损坏。本文主要针对解决此问题，从门极驱动器的角度，展示了一种解决方法，保护IGBT免于由于此类故障损坏。BUS4-图2换流回路的等效电路IGBT关断过电压是存储在主回路分布电感中的能量重新分配的结果，无论何时,只要流经IGBT、母排、直流侧电容的电流发生换向，关断过电压都将出现。在如图2所示的等效电路图中，可得14如下：(1)其中，厶包括了母排中的电感，直流侧电容中的等效串联电感以及IGBT封装中的电感。14丫表示反并联二极管的正向恢复电压，通常为10到50V⑶。

7、为了保证沧在IGBT的额定范围以内换流电流变化率必须满足下式。V卩_卩Q/TmaxIdf

8、Lq⑵4短路时关断过电压的抑制方法4.1传统保护方法传统IGBT驱动器的控制框图如图3所示。正常运行时，IGBT经尺少开通，经关断。当短路或过流故障发生时，为了限制关断过电压，IGBT经阻值较大的电阻尺戶亦关断。这将使沧缓慢下降，从而消除显著的关断过电压。然而，这是一种开环的控制方法，无法完全保证IGBT在任何情况下都能够安全的关断