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大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流保护方案

  跟着电力电子器材制作技术的开展，高性能、大容量的绝缘栅双极晶体管（IGBT）因其具有电压型操控、输入阻抗大、驱动功率小、开关损耗低及作业频率高级特色，而越来越多地使用到作业频率为几十kHz以下，输出功率从几kW到几百kW的各类电力变换设备中。IGBT逆变器中最重要的环节即是高性能的过流维护电路的规划。专用驱动模块都带有过流维护功用。一些分立的驱动电路也带有过电流维护功用。在工业使用中，通常都是使用这些瞬时过电流维护信号，经过触发器时序逻辑电路的回忆功用，构成回忆确定维护电路，以防止维护电路在过流时的频频动作，完成可取的过流维护。这篇文章剖析了大功率可控整流电压型逆变器中封闭驱动及整流拉逆变式两层维护电路布局。

    IGBT失效缘由和维护办法

    IGBT失效缘由剖析

    致使IGBT失效的缘由有：

    1）过热损坏集电极电流过大致使的瞬时过热及其它缘由，如散热不良致使的持续过热均会使IGBT损坏。假如器材持续短路，大电流发作的功耗将致使温升，因为芯片的热容量小，其温度敏捷上升，若芯片温度超越硅本征温度（约250℃），器材将失掉阻断才能，栅极操控就无法维护，然后致使IGBT失效[1].实践运转时，通常最高答应的作业温度为130℃左右。

    2）超出关断安全作业区致使擎住效应而损坏擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效应。IGBT为PNPN4层布局，其等效电路如图1所示。体内存在一个寄生晶闸管，在NPN晶体管的基极与发射极之间并有一个别区扩展电阻Rs，P型体内的横向空穴电流在Rs上会发作必定的电压降，对NPN基极来说，相当于一个正向偏置电压。在规则的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大，对NPN晶体管不起任何作用。当集电极电流增大到必定程度时，该正向电压足以使NPN晶体管注册，进而使NPN和PNP晶体管处于饱满状况。所以，寄生晶闸管导通，门极失掉操控作用，构成自锁表象，这即是所谓的静态擎住效应。IGBT发作擎住效应后，集电极电流增大，发作过高功耗，致使器材失效。动态擎住效应主要是在器材高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很大，致使较大位移电流，流过Rs，发作足以使NPN晶体管注册的正向偏置电压，形成寄生晶闸管自锁[2].

    3）瞬态过电流IGBT在运转进程中所接受的大幅值过电流除短路、直通等毛病外，还有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的放电电流及噪声搅扰形成的尖峰电流。这种瞬态过电流尽管持续时刻较短，但假如不采取办法，将添加IGBT的负担，也能够会致使IGBT失效。

    4）过电压形成集电极发射极击穿。

    5）过电压形成栅极发射极击穿。整流拉逆变式组合维护计划

    IGBT维护办法

    当过流状况出现时，IGBT有必要维持在短路安全作业区（SCSOA）内。IGBT接受短路的时刻与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切联系。为了防止因为短路毛病形成IGBT损坏，有必要有完善的毛病检测与维护环节。通常的检测办法分为电流传感器和IGBT欠饱满式维护。

    1）封闭驱动信号

    在逆变电源的负载过大或输出短路的状况下，经过逆变桥输入直流母线上的电流传感器进行检测。当检测电流值超越设定的阈值时，维护动作封闭一切桥臂的驱动信号。这种维护办法最直接，但吸收电路和箝位电路有必要经格外规划，使其适用于短路状况。这种办法的缺陷是会形成IGBT关断时接受应力过大，格外是在关断理性超大电流时，有必要留意擎住效应。

    2）减小栅压

    IGBT的短路电流和栅压有密切联系，栅压越高，短路时电流就越大。在短路或瞬态过流状况下若能在刹那间将vGS分步削减或斜坡削减，这样短路电流便会减小下来，当IGBT关断时，di/dt也减小。集成驱动电路如EXB841或M579xx系列都有检测vCES电路，当发现欠饱满时，栅压箝位到10V左右，增大vCES，限制过电流幅值，延伸答应过流时刻。短路答应时刻tsc和短路电流Isc同栅极电压vG的联系如图2所示。

    整流拉逆变式组合维护计划

    3.1逆变有些维护

    本规划逆变器为半桥式布局，串联谐振负载，驱动选用IR公司的IR2110半桥驱动芯片。IR2110电路简略，成本低，适用于中大功率IGBT，实验成果也验证了IR2110驱动中大功率IGBT的可行性。IR2110芯片有一个封闭两路驱动的SD输入端，当此引脚为高电平时，立刻封闭两路输出，如图3所示。

    电压型逆变器致使短路毛病的缘由有：

    1）直通短路桥臂中某一个器材（包括反并二极管）损坏；或因为操控电路，驱动电路的毛病，以及搅扰致使驱动电路误触发，形成一个桥臂中两个IGBT一起注册。

    2）负载电路短路在某些升压变压器输出场合，副边短路的状况。

    3）逆变器输出直接短路

    图4给出了维护电路框图。直通维护电路有必要有非常快的速度，在通常状况下，假如IGBT的额定参数挑选合理，10μs之内的过流就不会损坏器材，所以有必要在这个时刻内关断IGBT.母线电流检测用霍尔传感器，呼应速度快，是短路维护检测的最好挑选。对比器用LM319，检测值与设定值对比，一旦超越，立刻输出维护信号封闭驱动。一起用触发器构成回忆确定维护电路，以防止维护电路在过流时的频频动作。外接的复位电路也不行短少。

    3.2整流有些维护

    关于大功率电压型逆变器，为了改进进线电流波形，通常在直流母线上串有滤波电感，如图5所示。因为电感的存在，当逆变电路一旦中止作业，假如整流电路仍处在整流状况，则电感中的能量将向电容开释，在逆变维护动作刹那间电容将接受一个很高的过冲电压，若不采取办法，能够会直接致使电容过压损坏。尤其在负载电流很高，L中储能很大时，愈加风险。

    假定逆变关断时滤波电感中的电流全部从电容C中流过，一起整流器持续输出电压Ud.图6给出了等效电路，L与C串联谐振，因为整流桥电流只能单向流转，所以振动到T/4时完毕。

    可见在谐振到1/4周期时，电容上的电压到达最大值，之后谐振中止。

    电容上最终电压与母线电流，电感及电容有关。在咱们实验用的10kW样机中，直流母线电压200V时让逆变刹那间在维护信号下关断，母线电压俄然上升到近450V.关于此种表象，选用在维护动作的一起将整流电路拉到逆变作业状况（触发角α拉到约150°），使滤波电感中的能量大有些回馈到电网。

    在实践使用中，因为驱动电路的毛病致使上下桥臂IGBT直通的能够性很小。鉴于此，也能够选用单一的整流有些拉逆变的维护办法。关于像负载过流或短路，都能在IGBT答应的短路电流时刻内将整个设备的作业停下来。这种维护办法并不直接关于IGBT，而是将前级整流输入关断，毛病时IGBT仍处于作业状况。这归于“软维护”，对IGBT没有应力冲击，一起也能够防止在大电流下刹那间关断能够致使IGBT超出关断安全作业区而处于擎住状况。

    实验成果

    这种维护计划已成功地使用于大功率高频高压电压型串联谐振逆变器中，中压输出经升压变压器升到6kV，用于资料电晕处置。样机输出功率约10kW.因为负载是高压电晕处置器，升压变压器内部简单发作原、副边击穿表象。实验中发现，不论关于负载短路，变压器击穿致使的过流，仍是输入电压过高致使的过流都能极好地维护逆变器不受损坏。

    结论

    IGBT是逆变器中最简单损坏的有些，格外是关于电压型可控整流电路。在对IGBT直通维护时还要考虑到关断逆变器对前级电路的影响。这篇文章所介绍的整流逆变一起维护的计划能够可靠维护整个逆变器，并在实践中取得了良好的作用。