PDF《大功率逆变器组合式 IGBT 过流保护方案》

大功率逆变器组合式 IGBT 过流保护方案 现代功率变换器均采用大功率半导体开关器件, 其所能承受的电流过载能力 相对于旋转变流装置要低得多,如IGBT 一般只能承受几十微秒甚至几微秒的过 载电流, 一旦发生短路就要求保护电路能在尽可能短的时间内关断开关器件,切 断短路电流,使开关器件不致于因过流而损坏.

但是,在短路情况下迅速关断开 关器件,将导致负载电流下降过快而产生过大的 di/dt.由于引线电感和漏感的 存在,过大的 di/dt 将产生很高的过电压,使开关器件面临过压击穿的危险.对于IGBT,过高的电压又可能导致器件内部产生锁定效应,从而使器件失控而损 坏.因此,必须综合考虑和设计功率变换器的短路保护电路,以确保电流保护的 有效性. 1. IGBT 的失效原因和保护方法 引起 IGBT 失效的原因有: ①过热损坏. 集电极电流过大易引起瞬时过热,如器件散热不良会使器件持 续过热,当温度超过允许值时 IGBT 器件将损坏.如果器件持续工作在外部负载 短路状态下,大电流产生的功耗将引起温升,由于芯片的热容量小,其温度迅速 上升.若芯片温度超过硅本征温度(约250℃),器件将失去阻断能力,栅极控 制就无法保护,从而导致 IGBT 失效.实际运行时,一般最高允许 IGBT 器件的工 作温度为

130 度左右. ②超出关断安全工作区引起锁定效应而损坏. 锁定效应分静态锁定效应和动 态锁定效应,IGBT 为PNPN 四层结构,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体区扩展电阻 Rs,P 型体内的横向空穴电流在 Rs 上会产生一定的电压降, 对NPN 基极来说相当于一个正向偏置电压.在规定的集 电极电流范围内,这个正向偏置电压不大,对NPN 晶体管不起任何作用.当集电 极电流增大到一定程度时,该正向电压足以使 NPN 晶体管开通,进而使 NPN 和PNP 晶体管处于饱和状态.于是,寄生晶闸管导通,栅极失去控制作用,形成自 锁现象, 这就是所谓的静态锁定效应. IGBT 发生锁定效应盾, 集电极电流增大, 产生过高功耗, 导致器件失效. 动态锁定效应主要是在器件高速关断时电流下降 太快,dUCE/dt 很大,引起较大位移电流流过 Rs,产生足以使 NPN 晶体管开通的 正向偏置电压,造成寄生晶闸管自锁. ③瞬态过电流.IGBT 在运行过程中所承受的大幅值过电流除短路、直通等 故障外, 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干扰造 成的尖峰电流.这种瞬态过电流虽然持续时间较短,如果不采取措施,也可能会 导致 IGBT 失效. ④过电压造成集电极与发射极击穿. ⑤过电压造成栅极与发射极击穿. 2. IGBT 的保护方法 当过流情况出现时,IGBT 必须维持在短路安全工作区(SCSOA)内. IGBT 承受 短路的时间与电源电压、 栅极驱动电压以及结温有密切关系.为了防止由于短路 故障而造成 IGBT 损坏,必须有完善的故障检测与保护环节.一般的检测方法分 为电流传感器和 IGBT 欠饱和式保护. (1)过流信息检测 为了实现 IGBT 的短路保护,必须进行过流检测.适用于过流检测的方法通 常是采用霍尔电流传感器直接检测 IGBT 的集电极电流 Ic,然后与设定的阈值进 行比较,采用比较器的输出去控制驱动信号的关断.也可以检测过流时 IGBT 的 集电极一发射极间电压 UCE,因为管压降含有短路电流的信息,过流时 UCE 将增 大,且基本上与 k 成线性关系,故检测过流时的 UCE 并与设定的阈值进行比较, 采用比较器的输出控制驱动电路的关断,也可完成过流保护. (2)封锁驱动信号 在逆变电源的负载过大或输出短路的情况下, 可通过逆变桥输入直流母线上 的电流传感器进行检测. 当检测电流值超过设定的阈值时,保护动作封锁所有桥 臂的驱动信号.这种保护方法最直接,但吸收电路和钳位电路必须经特别设计, 使其适用于短路情况.这种方法的缺点是会造成 IGBT 关断时承受的应力过大, 特别是在关断感性大电流负载时,必须采取相应的保护电路以避免 IGBT 的锁定 效应发生. (3)减小栅压 IGBT 的短路电流和栅压有密切关系,栅压越高,短路时电流就越大.在短 路或瞬态过流情况下若能在瞬间将 UGE 分步减小或斜波减小, 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 UCE 检测电路,当发现欠饱和时,将栅压钳位到 10V 左右,增大 UCE 限制过 电流幅值,延长允许过流时间.短路允许时间 tsc 和短路电流 Isc 同栅极电压 UCE 的关系如图 5-50 所示.在短路电流出现时,为了避免关断 IGBT 时di/dt 过 大形成过电压,导致 IGBT 失控或过压而损坏,通常采用降栅压的软关断综合保 护技术, 即在检测到过流信号后首先是进行降栅压保护, 以降低故障电流的幅值, 延长 IGBT 承受过载电流的时间.在降栅压动作后,设定一个固定延迟时间以判 断故障电流的真实性.如在延迟时间内故障消失,则栅压自动恢复;