基于矩陣變換器IGBT的集中式過流保護電路設計

摘要：分別針對矩陣變換器的整流級和逆變級IGBT的過流現(xiàn)象進行了討論，提出了一種新的集中式過流保護電路的設計方式。該方式可確保IGBT在短路情況下及時被關斷，從而安全穩(wěn)定地運行。試驗結果表明：新的集中式過流保護電路具有經(jīng)濟、準確、快速的特點。
關鍵詞：矩陣變換器；IGBT；集中式；過流保護電路

O 引言
    近年來，矩陣變換器的優(yōu)越性能日益受到研究者們的重視，因而已成為電力變換器中的研究熱點。IGBT作為矩陣變換器的重要開關器件，是電力電子系統(tǒng)中最具應用前景的功率半導體器件之一，其安全穩(wěn)定的工作決定著矩陣變換器的穩(wěn)定運行。
    IGBT的保護電路主要分為過壓保護、過流保護和過熱保護電路。本文主要討論IGBT的過流保護電路。通常情況下，根據(jù)IGBT手冊給出的相關保護電路進行設計就足以保證IGBT的可靠運行。但是，在矩陣變換器中，由于整流級和逆變級的IGBT數(shù)量較多，而對逐個IGBT過流保護電路進行設計較為繁瑣，故可以采用集中式過流保護電路，以達到精簡和優(yōu)化電路的效果。
    另外，由于IGBT能夠承受一定時間的短路電流，所承受短路電流的時間與短路電流的大小有關，短路電流相比IGBT的額定電流越大，IG-BT能承受的時間也就越短。故在IGBT短路燒毀前，保護電路必須快速反應并對其關斷，從而達到保護IGBT可靠工作的目的。

l 過流分析
    IGBT的過流情況可以分為兩類：一類是低倍數(shù)(1．2～1．5倍)的過載電流；另一類是高倍數(shù)(高達8～10倍)的短路電流。
1．1 過載電流保護
    原則上，IGBT在過流時的開關和通態(tài)特性與其在額定條件下運行時的特性相比并沒有什么不同。但由于比較大的負載電流會引起IGBT內較高的損耗，所以，為了避免超過最大允許節(jié)溫，IGBT的過載范圍往往會受到限制。這不僅是過載時節(jié)溫的絕對值，而且連過載時的溫度變化范圍都是限制因素。
1．2 短路電流保護
    IGBT能承受短路電流的時間很短，且能承受短路電流的時間與該IGBT的導通飽和壓降有關，它隨著飽和導通壓降的增加而延長。存在以上關系的原因是由于隨著導通飽和壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方增大，從而造成承受短路的時間迅速縮短。
    原則上，IGBT都是安全短路器件。換句話說，它們在一定的外部條件下可以承受短路電流，然后被關斷，而器件不會發(fā)生損壞。

2 保護電路設計
    本文所設計的集中式過流保護電路主要針對矩陣變換器的IGBT。本矩陣變換器的整流級和逆變級選取的IGBT型號分別是三菱公司的CT6-0AM20和富士公司的1MBH60D一090A。由于在整流級和逆變級IGBT承受的電壓和電流有差別，故要選擇相應的IGBT來確保矩陣變換器正常穩(wěn)定的運行。整流級的驅動芯片選擇的是落木源公司的TX—KA962。TX—KA962芯片相對于三菱公司的M57962芯片來說，其具有死區(qū)時間、軟關
斷速度、故障后再次啟動時間可調等優(yōu)點。

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    圖1所示是矩陣變換器的拓撲結構，這是一個18開關的拓撲結構，它需要18個IGBT和18個二極管。在整流級的三個橋臂上，每個橋臂都由2個雙向開關、4個IGBT和4個二極管構成。因此，集中式過流檢測就只能在整流級的輸入進行，那里為交流信號，可以通過以下電路進行檢測。然而，在逆變級，每個橋臂由2個IGBT和2個二極管構成，其集中式過流保護監(jiān)測也設置在輸入環(huán)節(jié)，即在輸入直流母線上進行檢測。

    在逆變級中，集中式過流保護電路的任務是檢測輸入直流母線上的電流。而不必對每個IGBT分別進行過流檢測保護。當該電流值超過設定的閾值時，系統(tǒng)將封鎖整個逆變級IGBT的驅動信號。圖2所示為集中式過流保護電路的原理圖。該電路將電流檢測點設置在直流輸入側，檢測元件采用日本HINODE公司的直測式霍爾效應電流傳感器HAP8—200／4，可檢測直流側電壓的瞬時值。HAP8—200／4需要±15V的供電電源，額定電流為+_200 A，飽和電流在450 A以上，額定輸出電壓為±4 V，di／dt響應時間在10μs以下。在正常情況下，集中式過電流保護電路的輸出(0C)為高電平。而一旦直流母線的電流超過設定的閾值，比較器的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后?jīng)過R2、C2的延遲，0C將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個低電平信號將使封鎖電路有效，以封鎖整流級橋臂的所有IGBT驅動信號。由R2、C2組成的延遲電路可防止封鎖電路誤操作，該延遲電路也采用了抗干擾措施。

    在整流級，集中式電流保護電路的任務是檢測輸入電流，而不必對每個橋臂上的IGBT進行分別檢測。圖3所示為整流級集中式過流保護電路原理圖。整流級檢測點可設置在三項輸入端。由于矩陣變換器的輸入信號為三相對稱正弦信號。這與逆變級檢測點的直流母線信號有所不同，故需要采用另一種保護電路。檢測元件可采用英國ISOTEK公司的精確電流感應電阻SMV。該感應電阻SMV的阻值可選擇1 mΩ，溫漂小于30 ppm／℃，功率小于3W，測量電壓范圍為交流1000 V，工作溫度范圍為-55～+140℃。正弦信號經(jīng)過精確電流感應電阻檢測后，再經(jīng)過整流橋變化成直流信號，便可進行光耦放大并與設定的閾值電壓進行比較。在正常情況下，集中式過流保護電路的輸出信號OC為高電平，而一旦整流級發(fā)生短路，例如當三相輸入信號中任意兩相發(fā)生短路，則輸入端的電流值將會超過設定的閾值，此時比較器的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，再?jīng)過R2、C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個低電平信號將使封鎖電路有效，以封鎖整流級橋臂的所有IGBT驅動信號使其關斷。R2、C2組成的延遲電路可防止封鎖電路誤操作。
    矩陣變換器整流級和逆變級的集中式過流保護電路的輸出信號OC在正常情況下為高電平，當發(fā)生短路時，0C由高電平變?yōu)榈碗娖讲鬏斀o控制器，從而關斷整流級或是逆變級的IGBT驅動信號。之后，在等一段時間后，系統(tǒng)復位并重新給IGBT驅動信號。

3 實驗結果分析
    圖4所示是為檢測集中式過流保護所設計的實驗電路。

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    為了保證電流的上升速率，直流母線均采用銅排進行連接。實驗電路連接完成后，首先在整流級進行過流實驗，輸入a、b、c為三相對稱正弦信號，當其中兩相短路時，S1和S2同時關斷，并給Sl和S2一個相同的觸發(fā)脈沖信號，如圖5中的A曲線所示，該脈沖可使其同時導通，并導致ab兩相短路，從而使整流級的集中式過流保護電路的檢測電流超過參考電流而發(fā)出信號，最終關斷整流級IGBT的驅動信號。之后，經(jīng)過一段時間后，系統(tǒng)復位，整流級繼續(xù)運行。

    逆變級過流實驗的輸入為直流母線上的信號。當一個橋臂出現(xiàn)直通(例如K1和K2關斷)，逆變級集中式過流保護電路就會檢測到直流母線信號超過參考值，從而被激活，關斷逆變級IGBT的驅動信號。經(jīng)過一段時間后，系統(tǒng)復位，逆變級繼續(xù)運行。復位時間的長短與控制器收到0C信號后設定復位時間的大小有關。圖6所示為逆變級過流保護的波形。由于給定的觸發(fā)脈沖信號只有十幾微秒，故能防止IGBT在短路電流情況下，集中式過流保護電路發(fā)生故障而燒毀。

    由實驗曲線可以看出，在發(fā)生短路時，短路電流上升，檢測過流保護電路被激活。但在關斷IGBT之前，短路電流仍會繼續(xù)上升，這段時間與檢測電路的器件響應時間和集中式過流保護電路中的C2、R2的設定有關。為了防止誤操作和響應快速，C2、R2的取值不能太大，也不能太小，通?？扇2=100 pF，R2=10 kΩ。

4 結束語
    本文根據(jù)矩陣變換器的整流級和逆變級分別設計了基于矩陣變換器IGBT的集中式過流保護電路，并將其檢測點分別設置在整流級的三相輸入端和逆變級的直流輸入母線上。該電路能檢測集中式過載電流和短路電流，能保護IGBT的安全，并可節(jié)約電路的設計成本與驅動電路板的面積。通過實驗比較，充分證明了該集中式過流保護電路的有效性和經(jīng)濟性。