IGBT短路时的工作状态、短路保护电路的原理

模拟技术

2414人已加入

描述

引言

每次谈到IGBT都要把它的优点先说一遍,就当我唠叨了。IGBT结合了电力场效应管和电力晶体管导通、关断机制的优点,相比于其他大功率开关器件,IGBT的驱动功率小、开关速度快、没有二次击穿效应且易于并联。大功率IGBT应用于各工业领域和新能源发电系统,随着变流器容量和电压等级的提高,变流器的可靠性成为不可忽视的关键问题,而作为其核心的IGBT的可靠性当然是重中之中。短路保护便是IGBT可靠性考量中的一个因素。在IGBT短路保护实验中,由于IGBT特性和内部寄生电感的影响,IGBT关断过程中,电流的变化率(di/dt)非常大,应采取措施来限制短路电流的上升率,延缓IGBT的关断时间。

今天我们以风电变流器为例,来聊一聊IGBT短路时的工作状态、短路保护电路的原理。

IGBT短路情况时工作状态

当IGBT发生短路时,应充分考虑其当时的工作状态。如果当时情况下IGBT仍处于导通状态,由于直流回路中的电感小,此时的短路电流会非常大,这是电力电子应用中不允许发生的,所以,要通过放大区来限制IGBT在短路状态下的电流。

短路电路中的电感量决定了IGBT的短路电流和功耗。如果电感量小,那么关断过程中的电流变化率di/dt就会非常大,IGBT迅速进入退饱和阶段,同时结温上升;如果电感量大,那么关断过程中,短路电流不断上升,但是IGBT端电压、功耗和结温上升的却不是很大。同时,较大的电感量会导致非常大的关断电压尖峰,这个电压尖峰必须控制在IGBT的阻断电压之下,否则会导致IGBT失效。

IGBT在短路时,快速退饱和引起的电压变化率dv/dt会促使IGBT的门极电压增加,并导致较大的短路电流,从而导致功耗的增加,甚至损坏IGBT,同时,IGBT的短路情况下的集射极电压uce将快速上升。

短路保护的原理

1SCSOA和短路维持时间

IGBT短路保护的目的是,在IGBT发生短路,在IGBT损坏前及时地将IGBT关断,并将短路电流和保护关断时的I-U运行轨迹限制在IGBT的短路安全工作区域(SCSOA)。短路时间的增加会使得SCSOA减小,同时SCSOA还与外电路布线电感和厂家的工艺结构有关。由于杂散电感的存在,短路大电流时,IGBT的I-U运行轨迹很容易超出SCSOA的范围,从而导致IGBT失效。

退饱和检测技术普遍地用来监测IGBT短路情况。采用退饱和保护驱动时,IGBT的短路维持时间为tw=10us。此期间,IGBT保护电路应快速、准确地检测到短路故障,并在允许时间内关断IGBT,来达到保护IGBT的目的。

2短路电流

IGBT短路时,uce缓慢上升至母线电压,较大的跨导gfs增加了Isc(线性区时,有这样一个公式:Ic=(Vge-Vth)*gsf),并且有明显的过冲,短路维持时间越长,IGBT的开关和传导损耗就越大。此时,门极驱动必须快速关断具有较低短路维持时间的IGBT器件。唯一的办法就是降低Vge,使其低于阈值电压。在有源钳位的作用下,uce快速达到钳位电压,抑制故障时的Isc。过大的Isc可能会引起IGBT器件发生锁定效应或过电压击穿,Isc超过IGBT内部寄生晶闸管结构的擎住电流时就会发生锁定效应,此时IGBT会失去门极的关断能力。故限制Isc的幅值可以有效地防止锁定效应。同时较大的di/dt在电路杂散电感的作用下会产生很高的过电压,可能会导致IGBT的击穿,缓慢降低Vge可以避免此情况。

3短路保护电路分析

基本框架图如下所示

IGBT

在该电路中,通过检测uce来监视IGBT的短路和过电流。原理是,当流过IGBT的电流过大时,通态压降会急剧上升。当发生短路时,通过uce监视使能逻辑来进行保护。IGBT导通时检测uce,如果期间内uce超过了预先设定的值,就会产生一个故障信号,通过内部软件

来平滑地关断IGBT。电路地电压设定值和延迟时间可以通过外部的RC回路中的电阻和电容来设定。

发生短路时,IGBT集电极退饱和,图中的a点电位升高。当uce超过设定的门槛电压时,故障检测点视为低电平,输出故障信号,并经过触发逻辑电路的判断后,闭锁触发脉冲,使得输出到门极驱动放大电路中的驱动信号也变为低电平。在软关断电阻的作用下,IGBT的Vge缓慢下降,抑制电压过冲。

正常情况下,电压门槛值为高阻抗,在uce监视使能逻辑下比较器的输出为高电平。

短路保护电路中,还包含有源钳位的功能,即当发生短路时,uce快速增大,并产生一个非常大的过压,但在钳位二极管的作用下,使其稳定在钳位二级管的电压,抑制了uce的过冲,防止IGBT击穿。有源钳位一般由3个钳位瞬态抑制二极管和一个稳压管组成(当然,具体还需要根据使用的IGBT的规格来进行调整)。

以上便是以风电变流器中的某种IGBT保护电路来进行了叙述,基本没有涉及到风电变流器的东西,所以也不必在意是不是风电变流器。主要是希望能够分享下,IGBT在发生短路故障时的一些事,以及采取保护电路是通过怎样一个考虑来实现保护的。

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分