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關于IGBT保護電路設計必知問題
摘要: 本文全面論述了IGBT的過流保護,、過壓保護與過熱保護的有關問題,,并從實際應用中總結出各種保護方法,,這些方法實用性強,,保護效果好。
Abstract:
Key words :

  摘要:全面論述了IGBT的過流保護,、過壓保護與過熱保護的有關問題,,并從實際應用中總結出各種保護方法,這些方法實用性強,,保護效果好,。

  1 引言

  IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件,具有電壓高,、電流大,、頻率高、導通電阻小等特點,,因而廣泛應用在變頻器的逆變電路中,。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差,一旦出現(xiàn)意外就會使它損壞,。為此,,必須但對IGBT進行相關保護 本文從實際應用出發(fā),總結出了過流,、過壓與過熱保護的相關問題和各種保護方法,,實用性強,應用效果好,。

  2 過流保護

  生產廠家對IGBT提供的安全工作區(qū)有嚴格的限制條件,,且IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒(SCR、GTR等器件承受過流時間為幾十微秒),,耐過流量小,,因此使用IGBT首要注意的是過流保護。產生過流的原因大致有:晶體管或二極管損壞,、控制與驅動電路故障或干擾等引起誤動,、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路、輸出端對地短路與電機絕緣損壞,、逆變橋的橋臂短路等,。

  對IGBT的過流檢測保護分兩種情況:

  (1)驅動電路中無保護功能,。這時在主電路中要設置過流檢測器件,。對于小容量變頻器,,一般是把電阻R直接串接在主電路中,,如圖1(a)所示,通過電阻兩端的電壓來反映電流的大??;對于大中容量變頻器,,因電流大,需用電流互感器TA(如霍爾傳感器等),。電流互感器所接位置:一是像串電阻那樣串接在主回路中,,如圖1(a)中的虛線所示;二是串接在每個IGBT上,,如圖1(b)所示,。前者只用一個電流互感器檢測流過IGBT的總電流,經濟簡單,,但檢測精度較差,;后者直接反映每個IGBT的電流,測量精度高,,但需6個電流互感器,。過電流檢測出來的電流信號,經光耦管向控制電路輸出封鎖信號,,從而關斷IGBT的觸發(fā),,實現(xiàn)過流保護。

  

  圖1 IGBT的過流檢測

 

  摘要:全面論述了IGBT的過流保護,、過壓保護與過熱保護的有關問題,,并從實際應用中總結出各種保護方法,這些方法實用性強,,保護效果好,。

  1 引言

  IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件,具有電壓高,、電流大,、頻率高、導通電阻小等特點,,因而廣泛應用在變頻器的逆變電路中,。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差,一旦出現(xiàn)意外就會使它損壞,。為此,,必須但對IGBT進行相關保護 本文從實際應用出發(fā),總結出了過流,、過壓與過熱保護的相關問題和各種保護方法,,實用性強,應用效果好,。

  2 過流保護

  生產廠家對IGBT提供的安全工作區(qū)有嚴格的限制條件,,且IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒(SCR、GTR等器件承受過流時間為幾十微秒),耐過流量小,,因此使用IGBT首要注意的是過流保護,。產生過流的原因大致有:晶體管或二極管損壞、控制與驅動電路故障或干擾等引起誤動,、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路,、輸出端對地短路與電機絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等,。

  對IGBT的過流檢測保護分兩種情況:

 ?。?)驅動電路中無保護功能。這時在主電路中要設置過流檢測器件,。對于小容量變頻器,,一般是把電阻R直接串接在主電路中,如圖1(a)所示,,通過電阻兩端的電壓來反映電流的大?。粚τ诖笾腥萘孔冾l器,,因電流大,,需用電流互感器TA(如霍爾傳感器等)。電流互感器所接位置:一是像串電阻那樣串接在主回路中,,如圖1(a)中的虛線所示,;二是串接在每個IGBT上,如圖1(b)所示,。前者只用一個電流互感器檢測流過IGBT的總電流,,經濟簡單,但檢測精度較差,;后者直接反映每個IGBT的電流,,測量精度高,但需6個電流互感器,。過電流檢測出來的電流信號,,經光耦管向控制電路輸出封鎖信號,從而關斷IGBT的觸發(fā),,實現(xiàn)過流保護,。

  

  圖1 IGBT的過流檢測

 

  (2)驅動電路中設有保護功能,。如日本英達公司的HR065,、富士電機的EXB840~844、三菱公司的M57962L等,,是集驅動與保護功能于一體的集成電路(稱為混合驅動模塊),,其電流檢測是利用在某一正向柵壓Uge下,,正向導通管壓降Uce(ON)與集電極電流Ie成正比的特性,通過檢測Uce(ON)的大小來判斷Ie的大小,,產品的可靠性高,。不同型號的混合驅動模塊,,其輸出能力,、開關速度與du/dt的承受能力不同,使用時要根據實際情況恰當選用,。

  由于混合驅動模塊本身的過流保護臨界電壓動作值是固定的(一般為7~10V),,因而存在著一個與IGBT配合的問題。通常采用的方法是調整串聯(lián)在IGBT集電極與驅動模塊之間的二極管V的個數,,如圖2(a)所示,,使這些二極管的通態(tài)壓降之和等于或略大于驅動模塊過流保護動作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce(ON)之差。

  

  圖2 混合驅動模塊與IGBT過流保護的配合

  上述用改變二極管的個數來調整過流保護動作點的方法,,雖然簡單實用,,但精度不高。這是因為每個二極管的通態(tài)壓降為固定值,,使得驅動模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調,。在實際工作中,改進方法有兩種:

 ?。?)改變二極管的型號與個數相結合,。例如,IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V,,驅動模塊過流保護臨界動作電壓值為7.84V時,,那么整個二極管上的通態(tài)壓降之和應為7.84-2.65=5.19V,此時選用7個硅二極管與1個鍺二極管串聯(lián),,其通態(tài)壓降之和為0.7×7+0.3×1=5.20V(硅管視為0.7V,,鍺管視為0.3V),則能較好地實現(xiàn)配合(2)二極管與電阻相結合,。由于二極管通態(tài)壓降的差異性,,上述改進方法很難精確設定IGBT過流保護的臨界動作電壓值 如果用電阻取代1~2個二極管,如圖2(b),,則可做到精確配合,。

  另外,由于同一橋臂上的兩個IGBT的控制信號重疊或開關器件本身延時過長等原因,,使上下兩個IGBT直通,,橋臂短路,此時電流的上升率和浪涌沖擊電流都很大,,極易損壞IGBT 為此,,還可以設置橋臂互鎖保護,,如圖3所示。圖中用兩個與門對同一橋臂上的兩個IGBT的驅動信號進行互鎖,,使每個IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個IGBT驅動信號可否通過的制約條件,,只有在一個IGBT被確認關斷后,另一個IGBT才能導通,,這樣嚴格防止了臂橋短路引起過流情況的出現(xiàn),。

 

  

  圖3 IGBT橋臂直通短路保護

  3 過壓保護

  IGBT在由導通狀態(tài)關斷時,電流Ic突然變小,,由于電路中的雜散電感與負載電感的作用,,將在IGBT的c、e兩端產生很高的浪涌尖峰電壓uce=L dic/dt,,加之IGBT的耐過壓能力較差,,這樣就會使IGBT擊穿,因此,,其過壓保護也是十分重要的,。過壓保護可以從以下幾個方面進行:

  (1)盡可能減少電路中的雜散電感,。作為模塊設計制造者來說,,要優(yōu)化模塊內部結構(如采用分層電路、縮小有效回路面積等),,減少寄生電感,;作為使用者來說,要優(yōu)化主電路結構(采用分層布線,、盡量縮短聯(lián)接線等),,減少雜散電感。另外,,在整個線路上多加一些低阻低感的退耦電容,,進一步減少線路電感。所有這些,,對于直接減少IGBT的關斷過電壓均有較好的效果,。

  (2)采用吸收回路,。吸收回路的作用是,;當IGBT關斷時,吸收電感中釋放的能量,,以降低關斷過電壓,。常用的吸收回路有兩種,如圖4所示,。其中(a)圖為充放電吸收回路,,(b)圖為鉗位式吸收回路,。對于電路中元件的選用,在實際工作中,,電容c選用高頻低感圈繞聚乙烯或聚丙烯電容,,也可選用陶瓷電容,容量為2 F左右,。電容量選得大一些,,對浪涌尖峰電壓的抑制好一些,但過大會受到放電時間的限制,。電阻R選用氧化膜無感電阻,,其阻值的確定要滿足放電時間明顯小于主電路開關周期的要求,,可按R≤T/6C計算,,T為主電路的開關周期。二極管V應選用正向過渡電壓低,、逆向恢復時間短的軟特性緩沖二極管,。

  (3)適當增大柵極電阻Rg,。實踐證明,,Rg增大,使IGBT的開關速度減慢,,能明顯減少開關過電壓尖峰,,但相應的增加了開關損耗,使IGBT發(fā)熱增多,,要配合進行過熱保護,。Rg阻值的選擇原則是:在開關損耗不太大的情況下,盡可能選用較大的電阻,,實際工作中按Rg=3000/Ic 選取,。

 

  

  圖4 吸收回路

  除了上述減少c、e之間的過電壓之外,,為防止柵極電荷積累,、柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞IGBT,可在g,、e之間設置一些保護元件,,電路如圖5所示。電阻R的作用是使柵極積累電荷泄放,,其阻值可取4.7kΩ,;兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1、V2,。是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT,。

  

  圖5 防柵極電荷積累與柵源電壓尖峰的保護

 

  4 過熱保護

  IGBT 的損耗功率主要包括開關損耗和導通損耗,,前者隨開關頻率的增高而增大,占整個損耗的主要部分,;后者是IGBT控制的平均電流與電源電壓的乘積,。由于IGBT是大功率半導體器件,損耗功率使其發(fā)熱較多(尤其是Rg選擇偏大時),,加之IGBT的結溫不能超過125℃,,不宜長期工作在較高溫度下,因此要采取恰當的散熱措施進行過熱保護,。

  散熱一般是采用散熱器(包括普通散熱器與熱管散熱器),,并可進行強迫風冷。散熱器的結構設計應滿足:Tj=P△(Rjc+Rcs+Rsa)《Tjm  式中Tj-IGBT的工作結溫

  P△-損耗功率

  Rjc-結-殼熱阻vkZ電子資料網

  Rcs-殼-散熱器熱阻

  Rsa-散熱器-環(huán)境熱阻

  Tjm-IGBT的最高結溫

  在實際工作中,,我們采用普通散熱器與強迫風冷相結合的措施,,并在散熱器上安裝溫度開關。當溫度達到75℃~80℃時,,通過SG3525的關閉信號停止PMW 發(fā)送控制信號,,從而使驅動器封鎖IGBT的開關輸出,并予以關斷保護,。

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