固態(tài)電源的基本任務是安全,、可靠地為負載提供所需的電能,。對電子設備而言，電源是其核心部件,。負載除要求電源能供應高質(zhì)量的輸出電壓外,，還對供電系統(tǒng)的可靠性等提出更高的要求。
ＩＧＢＴ是一種目前被廣泛使用的具有自關斷能力的器件,，開關頻率高,，廣泛應用于各類固態(tài)電源中。但如果控制不當,，它很容易損壞,。一般認為ＩＧＢＴ損壞的主要原因有兩種：一是ＩＧＢＴ退出飽和區(qū)而進入了放大區(qū)，使得開關損耗增大,；二是ＩＧＢＴ發(fā)生短路,，產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流，從而使ＩＧＢＴ損壞,。ＩＧＢＴ的保護通常采用快速自保護的辦法,，即當故障發(fā)生時，關斷ＩＧＢＴ驅(qū)動電路,，在驅(qū)動電路中實現(xiàn)退飽和保護,；或者當發(fā)生短路時，快速地關斷ＩＧＢＴ,。根據(jù)監(jiān)測對象的不同,，ＩＧＢＴ的短路保護可分為Ｕge監(jiān)測法或Ｕce監(jiān)測法，二者原理基本相似,，都是利用集電極電流ＩＣ升高時Ｕge或Ｕce也會升高這一現(xiàn)象,。當Ｕge或Ｕce超過Ｕge（sat）或Ｕce（sat）時，就自動關斷ＩＧＢＴ的驅(qū)動電路,。由于Ｕge在發(fā)生故障時基本不變,，而Ｕce的變化較大并且當退飽和發(fā)生時Ｕge變化也?、熾y以掌握因而在實踐中一般采用Ｕce監(jiān)測技術來對ＩＧＢＴ進行保護。本文研究的ＩＧＢＴ保護電路,，是通過對ＩＧＢＴ導通時的管壓降Ｕce進行監(jiān)測來實現(xiàn)對ＩＧＢＴ的保護,。

采用本文介紹的ＩＧＢＴ短路保護電路可以實現(xiàn)快速保護，同時又可以節(jié)省檢測短路電流所需的霍爾電流傳感器,，降低整個系統(tǒng)的成本,。實踐證明，該電路有比較大的實用價值,，尤其是在低直流母線電壓的應用場合,，該電路有廣闊的應用前景。該電路已經(jīng)成功地應用在某型高頻逆變器中,。
１,、短路保護的工作原理
圖１（ａ）所示為工作在ＰＷＭ整流狀態(tài)的Ｈ型橋式ＰＷＭ變換電路（此圖為正弦波正半波輸入下的等效電路，上半橋的兩只ＩＧＢＴ未畫出）,，圖１（ｂ）為下半橋兩只大功率器件的驅(qū)動信號和相關的器件波形?，F(xiàn)以正半波工作過程為例進行分析（對于三相ＰＷＭ電路，在整流,、逆變工作狀態(tài)或單相ＤＣ／ＤＣ工作狀態(tài)下,，ＰＷＭ電路的分析過程及結論基本類似）。

在圖１所示的電路中,，在市電電源Ｕs的正半周期,，將Ｕｇ2．4所示的高頻驅(qū)動信號加在下半橋兩只ＩＧＢＴ的柵極上，得到管壓降波形ＵT2．D,。其工作過程分析如下：在ｔ1～ｔ2時刻,，受驅(qū)動信號的作用，Ｔ2,、Ｔ4導通（實際上是Ｔ2導通,，Ｄ4處于續(xù)流狀態(tài)），在Ｕs的作用下通過電感Ｌs的電流增加,，在Ｔ2管上形成如圖１（ｂ）中ＵT2．D所示的按指數(shù)規(guī)律上升的管壓降波形,，該管壓降是通態(tài)電流在ＩＧＢＴ導通時的體電阻上產(chǎn)生的壓降；在ｔ2～ｔ３時刻,，Ｔ2,、Ｔ4關斷，由于電感Ｌs中有儲能,，因此在電感Ｌs的作用下,，二極管Ｄ2,、Ｄ4續(xù)流,，形成圖１（ｂ）中ＵT2．D的陰影部分所示的管壓降波形,，以此類推。分析表明,，為了能夠檢測到ＩＧＢＴ導通時的管壓降的值,，應該將在ｔ１～ｔ2時刻ＩＧＢＴ導通時的管壓降保留，而將在ｔ2～ｔ3時刻檢測到的ＩＧＢＴ的管壓降的值剔除,，即將圖１（ｂ）中ＵT2．D的陰影部分所示的管壓降波形剔除,。由于ＩＧＢＴ的開關頻率比較高，而且存在較大的開關噪聲,，因此在設計采樣電路時應給予足夠的考慮,。
根據(jù)以上的分析可知，在正常情況下,，ＩＧＢＴ導通時的管壓降Ｕce（sat）的值都比較低,，通常都小于器件手冊給出的數(shù)據(jù)Ｕce（sat）的額定值。但是,，如果Ｈ型橋式變換電路發(fā)生故障（如同一側橋臂上的上下兩只ＩＧＢＴ同時導通的 "直通"現(xiàn)象）,，則這時在下管ＩＧＢＴ的Ｃ～Ｅ極兩端將會產(chǎn)生比正常值大很多的管電壓。若能將此故障時的管壓降值快速地檢測出來,，就可以作為對ＩＧＢＴ進行保護的依據(jù),，從而對ＩＧＢＴ實施有效的保護。

2,、短路保護電路的設計
由對圖１所示電路的分析,，可以得到ＩＧＢＴ短路保護電路的原理電路圖，如圖２所示,。在圖２所示電路中ＩＣ４及其外圍器件構成選通邏輯電路,，由ＩＣ５及其外圍器件構成濾波及放大電路，ＩＣ２及其外圍器件構成門限比較電路,，ＩＣ１及其外圍器件構成保持電路,。正常情況下，Ｄ１,、Ｄ２,、Ｄ３的陰極所連接的ＩＣ２Ｄ、ＩＣ２Ｃ及ＣＤ４０１１的輸出均為高電平,，ＩＣ１的輸出狀態(tài)不會改變,。假設由于某種原因，在給Ｔ２發(fā)驅(qū)動信號的時候,，Ｈ型橋式ＰＷＭ變換電路的左半橋下管Ｔ２的管壓降異常升高（設電平值為"高"）,，即Ｔ２－ｄ端電壓異常升高，則該高電平ＵT2-d通過Ｒ２加在Ｄ８的陰極；同時,，發(fā)給Ｔ２的高電平驅(qū)動信號也加在二極管Ｄ５的陰極,。對ＩＣ２Ｃ來說，其反相輸入端為高電平,，若該電平值大于同相輸入端的門檻電平值的話,，則ＩＣ２Ｃ輸出為"低"。該" 低"電平通過Ｄ２加在Ｒ－Ｓ觸發(fā)器ＩＣ１的Ｒ輸入端,，使其輸出端Ｑ的輸出電平翻轉,，向控制系統(tǒng)發(fā)出ＩＧＢＴ故障報警信號。如果是由于右半橋下管Ｔ４的管壓降異常升高而引起ＩＣ２Ｄ輸出為"低",，則該"低"電平通過Ｄ１加在Ｒ－Ｓ觸發(fā)器ＩＣ１的Ｒ輸入端,，使其輸出端Ｑ的輸出電平翻轉，向控制系統(tǒng)發(fā)出ＩＧＢＴ故障報警信號,。由ＩＣ５Ａ和ＩＣ５Ｃ及其外圍器件構成的濾波及放大電路將選通電路送來的描述ＩＧＢＴ管壓降的電壓信號進行預處理后,，送給由ＩＣ５Ｂ構成的加法器進行運算處理。若加法器的輸出電平大于由Ｒ２２和Ｒ３２確定的門檻電平,，則會使Ｒ－Ｓ觸發(fā)器ＩＣ１的Ｒ端的第三個輸入端為"低",，也向控制系統(tǒng)發(fā)出ＩＧＢＴ故障報警信號。改變由Ｒ２２和Ｒ３２確定的門檻電平,，就可以靈活地改變這第三路報警信號所代表的物理意義,，從而靈活地設計保護電路。圖２中的端子Ｔ４－ｄ,、Ｔ２－ｄ,，分別接在Ｔ4、Ｔ2的集電極上,，Ｔ４－Ｇ,、Ｔ２－Ｇ分別接ＩＧＢＴ器件Ｔ4、Ｔ2的驅(qū)動信號,。在電路設計時應該特別注意的是,，Ｄ８、Ｄ５,、Ｄ９,、Ｄ４必須采用快速恢復二極管。

3,、仿真及實驗結果
當圖１所示的ＰＷＭ變換器工作在單相高頻整流模式下,，應用ＰＳＰＩＣＥ仿真軟件對圖２所示的電路進行仿真研究，可以得到如圖３所示的結果,。圖３所示的仿真波形相當于在圖２電路中ＩＣ５Ｂ的第７腳觀察到的信號波形,。仿真結果表明,，檢測電路可以快速、有效地將ＰＷＭ變換器的下管導通時的管壓降檢測出來,。圖４所示波形是實際電路工作時檢測到的相關波形,。圖中，１#通道顯示的是單相高頻整流電感電流的給定波形,，２#通道顯示的是實際檢測到的圖２電路中ＩＣ５Ｂ的第７腳的工作波形。比較圖３和圖４可以得出,，該檢測電路可以快速,、有效地檢測出ＩＧＢＴ導通時的管壓降，從而對ＩＧＢＴ實施有效的保護,。


圖５所示為ＩＧＢＴ過流時實際檢測到的ＰＦＣ電感中流過的電流及保護電路動作的波形,。

電路實際運行結果證明，本文介紹的ＩＧＢＴ短路保護電路可以有效地對ＩＧＢＴ實施保護,，成本低,，動作可靠。實踐證明,，該電路有比較大的實用價值,，尤其是在低直流母線電壓的應用場合，該電路有廣闊的應用前景,。該電路已經(jīng)成功地應用在某型３ＫＶＡ高頻逆變器中,。