大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護(hù)方案

引言

隨著電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展，高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)因其具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)損耗低及工作頻率高等特點(diǎn)，而越來越多地應(yīng)用到工作頻率為幾十kHz以下，輸出功率從幾kW到幾百kW的各類電力變換裝置中。IGBT逆變器中最重要的環(huán)節(jié)就是高性能的過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。專用驅(qū)動(dòng)模塊都帶有過流保護(hù)功能。一些分立的驅(qū)動(dòng)電路也帶有過電流保護(hù)功能。在工業(yè)應(yīng)用中，一般都是利用這些瞬時(shí)過電流保護(hù)信號(hào)，通過觸發(fā)器時(shí)序邏輯電路的記憶功能，構(gòu)成記憶鎖定保護(hù)電路，以避免保護(hù)電路在過流時(shí)的頻繁動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)可取的過流保護(hù)。本文分析了大功率可控整流電壓型逆變器中封鎖驅(qū)動(dòng)及整流拉逆變式雙重保護(hù)電路結(jié)構(gòu)。

IGBT失效原因和保護(hù)方法

IGBT失效原因分析

引起IGBT失效的原因有：

1)過熱損壞集電極電流過大引起的瞬時(shí)過熱及其它原因，如散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)過熱均會(huì)使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過硅本征溫度(約250℃)，器件將失去阻斷能力，柵極控制就無法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效[1]。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，一般最高允許的工作溫度為130℃左右。

2)超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng)而損壞擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT為PNPN4層結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖1所示。體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs，P型體內(nèi)的橫向空穴電流在Rs上會(huì)產(chǎn)生一定的電壓降，對(duì)NPN基極來說，相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置電壓不大，對(duì)NPN晶體管不起任何作用。當(dāng)集電極電流增大到一定程度時(shí)，該正向電壓足以使NPN晶體管開通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是，寄生晶閘管導(dǎo)通，門極失去控制作用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，產(chǎn)生過高功耗，導(dǎo)致器件失效。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，流過Rs，產(chǎn)生足以使NPN晶體管開通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管自鎖[2]。

3)瞬態(tài)過電流IGBT在運(yùn)行過程中所承受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過電流雖然持續(xù)時(shí)間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負(fù)擔(dān)，也可能會(huì)導(dǎo)致IGBT失效。

4)過電壓造成集電極 發(fā)射極擊穿。

5)過電壓造成柵極 發(fā)射極擊穿。整流拉逆變式組合保護(hù)方案

IGBT保護(hù)方法

當(dāng)過流情況出現(xiàn)時(shí)，IGBT必須維持在短路安全工作區(qū)(SCSOA)內(nèi)。IGBT承受短路的時(shí)間與電源電壓、柵極驅(qū)動(dòng)電壓以及結(jié)溫有密切關(guān)系。為了防止由于短路故障造成IGBT損壞，必須有完善的故障檢測(cè)與保護(hù)環(huán)節(jié)。一般的檢測(cè)方法分為電流傳感器和IGBT欠飽和式保護(hù)。

1)封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)

在逆變電源的負(fù)載過大或輸出短路的情況下，通過逆變橋輸入直流母線上的電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)電流值超過設(shè)定的閾值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作封鎖所有橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種保護(hù)方法最直接，但吸收電路和箝位電路必須經(jīng)特別設(shè)計(jì)，使其適用于短路情況。這種方法的缺點(diǎn)是會(huì)造成IGBT關(guān)斷時(shí)承受應(yīng)力過大，特別是在關(guān)斷感性超大電流時(shí)，必須注意擎住效應(yīng)。

2)減小柵壓

IGBT的短路電流和柵壓有密切關(guān)系，柵壓越高，短路時(shí)電流就越大。在短路或瞬態(tài)過流情況下若能在瞬間將vGS分步減少或斜坡減少，這樣短路電流便會(huì)減小下來，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，di/dt也減小。集成驅(qū)動(dòng)電路如EXB841或M579xx系列都有檢測(cè)vCES電路，當(dāng)發(fā)現(xiàn)欠飽和時(shí)，柵壓箝位到10V左右，增大vCES，限制過電流幅值，延長允許過流時(shí)間。短路允許時(shí)間tsc和短路電流Isc同柵極電壓vG的關(guān)系如圖2所示。

整流拉逆變式組合保護(hù)方案

3.1逆變部分保護(hù)

本設(shè)計(jì)逆變器為半橋式結(jié)構(gòu)，串聯(lián)諧振負(fù)載，驅(qū)動(dòng)采用IR公司的IR2110半橋驅(qū)動(dòng)芯片。IR2110電路簡單，成本低，適用于中大功率IGBT，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了IR2110驅(qū)動(dòng)中大功率IGBT的可行性。IR2110芯片有一個(gè)封鎖兩路驅(qū)動(dòng)的SD輸入端，當(dāng)此引腳為高電平時(shí)，立刻封鎖兩路輸出，如圖3所示。

電壓型逆變器引起短路故障的原因有：

1)直通短路橋臂中某一個(gè)器件(包括反并二極管)損壞;或由于控制電路，驅(qū)動(dòng)電路的故障，以及干擾引起驅(qū)動(dòng)電路誤觸發(fā)，造成一個(gè)橋臂中兩個(gè)IGBT同時(shí)開通。[!--empirenews.page--]

2)負(fù)載電路短路在某些升壓變壓器輸出場(chǎng)合，副邊短路的情況。

3)逆變器輸出直接短路

圖4給出了保護(hù)電路框圖。直通保護(hù)電路必須有非?？斓乃俣?，在一般情況下，如果IGBT的額定參數(shù)選擇合理，10μs之內(nèi)的過流就不會(huì)損壞器件，所以必須在這個(gè)時(shí)間內(nèi)關(guān)斷IGBT。母線電流檢測(cè)用霍爾傳感器，響應(yīng)速度快，是短路保護(hù)檢測(cè)的最佳選擇。比較器用LM319，檢測(cè)值與設(shè)定值比較，一旦超過，馬上輸出保護(hù)信號(hào)封鎖驅(qū)動(dòng)。同時(shí)用觸發(fā)器構(gòu)成記憶鎖定保護(hù)電路，以避免保護(hù)電路在過流時(shí)的頻繁動(dòng)作。外接的復(fù)位電路也不可缺少。

3.2整流部分保護(hù)

對(duì)于大功率電壓型逆變器，為了改善進(jìn)線電流波形，一般在直流母線上串有濾波電感，如圖5所示。由于電感的存在，當(dāng)逆變電路一旦停止工作，如果整流電路仍處在整流狀態(tài)，則電感中的能量將向電容釋放，在逆變保護(hù)動(dòng)作瞬間電容將承受一個(gè)很高的過沖電壓，若不采取措施，可能會(huì)直接導(dǎo)致電容過壓損壞。尤其在負(fù)載電流很高，L中儲(chǔ)能很大時(shí)，更加危險(xiǎn)。

假設(shè)逆變關(guān)斷時(shí)濾波電感中的電流全部從電容C中流過，同時(shí)整流器繼續(xù)輸出電壓Ud。圖6給出了等效電路，L與C串聯(lián)諧振，由于整流橋電流只能單向流通，所以振蕩到T/4時(shí)結(jié)束。

可見在諧振到1/4周期時(shí)，電容上的電壓達(dá)到最大值，之后諧振停止。

電容上最后電壓與母線電流，電感及電容有關(guān)。在我們?cè)囼?yàn)用的10kW樣機(jī)中，直流母線電壓200V時(shí)讓逆變瞬間在保護(hù)信號(hào)下關(guān)斷，母線電壓突然上升到近450V。針對(duì)此種現(xiàn)象，采用在保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)將整流電路拉到逆變工作狀態(tài)(觸發(fā)角α拉到約150°)，使濾波電感中的能量大部分回饋到電網(wǎng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于驅(qū)動(dòng)電路的故障導(dǎo)致上下橋臂IGBT直通的可能性很小。鑒于此，也可以采用單一的整流部分拉逆變的保護(hù)方法。對(duì)于像負(fù)載過流或短路，都能在IGBT允許的短路電流時(shí)間內(nèi)將整個(gè)裝置的工作停下來。這種保護(hù)方法并不直接針對(duì)IGBT，而是將前級(jí)整流輸入關(guān)斷，故障時(shí)IGBT仍處于工作狀態(tài)。這屬于“軟保護(hù)”，對(duì)IGBT沒有應(yīng)力沖擊，同時(shí)也可以避免在大電流下瞬間關(guān)斷可能導(dǎo)致IGBT超出關(guān)斷安全工作區(qū)而處于擎住狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

這種保護(hù)方案已成功地應(yīng)用于大功率高頻高壓電壓型串聯(lián)諧振逆變器中，中壓輸出經(jīng)升壓變壓器升到6kV，用于材料電暈處理。樣機(jī)輸出功率約10kW。由于負(fù)載是高壓電暈處理器，升壓變壓器內(nèi)部容易發(fā)生原、副邊擊穿現(xiàn)象。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不論對(duì)于負(fù)載短路，變壓器擊穿引起的過流，還是輸入電壓過高引起的過流都能很好地保護(hù)逆變器不受損壞。

結(jié)論

IGBT是逆變器中最容易損壞的部分，特別是對(duì)于電壓型可控整流電路。在對(duì)IGBT直通保護(hù)時(shí)還要考慮到關(guān)斷逆變器對(duì)前級(jí)電路的影響。本文所介紹的整流逆變同時(shí)保護(hù)的方案可以可靠保護(hù)整個(gè)逆變器，并在實(shí)踐中取得了良好的效果。