大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護(hù)方案
跟著電力電子器材制作技術(shù)的開展，高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因其具有電壓型操控、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)損耗低及作業(yè)頻率高級(jí)特色，而越來越多地使用到作業(yè)頻率為幾十kHz以下，輸出功率從幾kW到幾百kW的各類電力變換設(shè)備中。IGBT逆變器中最重要的環(huán)節(jié)即是高性能的過流維護(hù)電路的規(guī)劃。專用驅(qū)動(dòng)模塊都帶有過流維護(hù)功用。一些分立的驅(qū)動(dòng)電路也帶有過電流維護(hù)功用。在工業(yè)使用中，通常都是使用這些瞬時(shí)過電流維護(hù)信號(hào)，經(jīng)過觸發(fā)器時(shí)序邏輯電路的回憶功用，構(gòu)成回憶確定維護(hù)電路，以防止維護(hù)電路在過流時(shí)的頻頻動(dòng)作，完成可取的過流維護(hù)。這篇文章剖析了大功率可控整流電壓型逆變器中封閉驅(qū)動(dòng)及整流拉逆變式兩層維護(hù)電路布局。
IGBT失效緣由和維護(hù)辦法
IGBT失效緣由剖析
致使IGBT失效的緣由有：
1）過熱損壞集電極電流過大致使的瞬時(shí)過熱及其它緣由，如散熱不良致使的持續(xù)過熱均會(huì)使IGBT損壞。假如器材持續(xù)短路，大電流發(fā)作的功耗將致使溫升，因?yàn)樾酒臒崛萘啃�，其溫度敏捷上升，若芯片溫度超越硅本征溫度（約250℃），器材將失掉阻斷才能，柵極操控就無法維護(hù)，然后致使IGBT失效[1].實(shí)踐運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通常最高答應(yīng)的作業(yè)溫度為130℃左右。
2）超出關(guān)斷安全作業(yè)區(qū)致使擎住效應(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層布局，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)別區(qū)擴(kuò)展電阻Rs，P型體內(nèi)的橫向空穴電流在Rs上會(huì)發(fā)作必定的電壓降，對(duì)NPN基極來說，相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電壓。在規(guī)則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)集電極電流增大到必定程度時(shí)，該正向電壓足以使NPN晶體管注冊(cè)，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽滿狀況。所以，寄生晶閘管導(dǎo)通，門極失掉操控作用，構(gòu)成自鎖表象，這即是所謂的靜態(tài)擎住效應(yīng)。IGBT發(fā)作擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，發(fā)作過高功耗，致使器材失效。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主要是在器材高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快，dvCE/dt很大，致使較大位移電流，流過Rs，發(fā)作足以使NPN晶體管注冊(cè)的正向偏置電壓，形成寄生晶閘管自鎖[2].
3）瞬態(tài)過電流IGBT在運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)程中所接受的大幅值過電流除短路、直通等毛病外，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攪擾形成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過電流盡管持續(xù)時(shí)刻較短，但假如不采取辦法，將添加IGBT的負(fù)擔(dān)，也能夠會(huì)致使IGBT失效。
4）過電壓形成集電極發(fā)射極擊穿。
5）過電壓形成柵極發(fā)射極擊穿。整流拉逆變式組合維護(hù)計(jì)劃
IGBT維護(hù)辦法
當(dāng)過流狀況出現(xiàn)時(shí)，IGBT有必要維持在短路安全作業(yè)區(qū)（SCSOA）內(nèi)。IGBT接受短路的時(shí)刻與電源電壓、柵極驅(qū)動(dòng)電壓以及結(jié)溫有密切聯(lián)系。為了防止因?yàn)槎搪访⌒纬蒊GBT損壞，有必要有完善的毛病檢測(cè)與維護(hù)環(huán)節(jié)。通常的檢測(cè)辦法分為電流傳感器和IGBT欠飽滿式維護(hù)。
1）封閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)
在逆變電源的負(fù)載過大或輸出短路的狀況下，經(jīng)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)電流值超越設(shè)定的閾值時(shí)，維護(hù)動(dòng)作封閉一切橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這種維護(hù)辦法最直接，但吸收電路和箝位電路有必要經(jīng)格外規(guī)劃，使其適用于短路狀況。這種辦法的缺陷是會(huì)形成IGBT關(guān)斷時(shí)接受應(yīng)力過大，格外是在關(guān)斷理性超大電流時(shí)，有必要留意擎住效應(yīng)。
2）減小柵壓
IGBT的短路電流和柵壓有密切聯(lián)系，柵壓越高，短路時(shí)電流就越大。在短路或瞬態(tài)過流狀況下若能在剎那間將vGS分步削減或斜坡削減，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)欠飽滿時(shí)，柵壓箝位到10V左右，增大vCES，限制過電流幅值，延伸答應(yīng)過流時(shí)刻。短路答應(yīng)時(shí)刻tsc和短路電流Isc同柵極電壓vG的聯(lián)系如圖2所示。
整流拉逆變式組合維護(hù)計(jì)劃
3.1逆變有些維護(hù)
本規(guī)劃逆變器為半橋式布局，串聯(lián)諧振負(fù)載，驅(qū)動(dòng)選用IR公司的IR2110半橋驅(qū)動(dòng)芯片。IR2110電路簡(jiǎn)略，成本低，適用于中大功率IGBT，實(shí)驗(yàn)成果也驗(yàn)證了IR2110驅(qū)動(dòng)中大功率IGBT的可行性。IR2110芯片有一個(gè)封閉兩路驅(qū)動(dòng)的SD輸入端，當(dāng)此引腳為高電平時(shí)，立刻封閉兩路輸出，如圖3所示。
電壓型逆變器致使短路毛病的緣由有：
1）直通短路橋臂中某一個(gè)器材（包括反并二極管）損壞；或因?yàn)椴倏仉娐�，�?qū)動(dòng)電路的毛病，以及攪擾致使驅(qū)動(dòng)電路誤觸發(fā)，形成一個(gè)橋臂中兩個(gè)IGBT一起注冊(cè)。
2）負(fù)載電路短路在某些升壓變壓器輸出場(chǎng)合，副邊短路的狀況。
3）逆變器輸出直接短路
圖4給出了維護(hù)電路框圖。直通維護(hù)電路有必要有非�？斓乃俣龋谕ǔ顩r下，假如IGBT的額定參數(shù)挑選合理，10μs之內(nèi)的過流就不會(huì)損壞器材，所以有必要在這個(gè)時(shí)刻內(nèi)關(guān)斷IGBT.母線電流檢測(cè)用霍爾傳感器，呼應(yīng)速度快，是短路維護(hù)檢測(cè)的最好挑選。對(duì)比器用LM319，檢測(cè)值與設(shè)定值對(duì)比，一旦超越，立刻輸出維護(hù)信號(hào)封閉驅(qū)動(dòng)。一起用觸發(fā)器構(gòu)成回憶確定維護(hù)電路，以防止維護(hù)電路在過流時(shí)的頻頻動(dòng)作。外接的復(fù)位電路也不行短少。
3.2整流有些維護(hù)
關(guān)于大功率電壓型逆變器，為了改進(jìn)進(jìn)線電流波形，通常在直流母線上串有濾波電感，如圖5所示。因?yàn)殡姼械拇嬖�，�?dāng)逆變電路一旦中止作業(yè)，假如整流電路仍處在整流狀況，則電感中的能量將向電容開釋，在逆變維護(hù)動(dòng)作剎那間電容將接受一個(gè)很高的過沖電壓，若不采取辦法，能夠會(huì)直接致使電容過壓損壞。尤其在負(fù)載電流很高，L中儲(chǔ)能很大時(shí)，愈加風(fēng)險(xiǎn)。
假定逆變關(guān)斷時(shí)濾波電感中的電流全部從電容C中流過，一起整流器持續(xù)輸出電壓Ud.圖6給出了等效電路，L與C串聯(lián)諧振，因?yàn)檎鳂螂娏髦荒軉蜗蛄鬓D(zhuǎn)，所以振動(dòng)到T/4時(shí)完畢。
可見在諧振到1/4周期時(shí)，電容上的電壓到達(dá)最大值，之后諧振中止。
電容上最終電壓與母線電流，電感及電容有關(guān)。在咱們實(shí)驗(yàn)用的10kW樣機(jī)中，直流母線電壓200V時(shí)讓逆變剎那間在維護(hù)信號(hào)下關(guān)斷，母線電壓俄然上升到近450V.關(guān)于此種表象，選用在維護(hù)動(dòng)作的一起將整流電路拉到逆變作業(yè)狀況（觸發(fā)角α拉到約150°），使濾波電感中的能量大有些回饋到電網(wǎng)。
在實(shí)踐使用中，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路的毛病致使上下橋臂IGBT直通的能夠性很小。鑒于此，也能夠選用單一的整流有些拉逆變的維護(hù)辦法。關(guān)于像負(fù)載過流或短路，都能在IGBT答應(yīng)的短路電流時(shí)刻內(nèi)將整個(gè)設(shè)備的作業(yè)停下來。這種維護(hù)辦法并不直接關(guān)于IGBT，而是將前級(jí)整流輸入關(guān)斷，毛病時(shí)IGBT仍處于作業(yè)狀況。這歸于“軟維護(hù)”，對(duì)IGBT沒有應(yīng)力沖擊，一起也能夠防止在大電流下剎那間關(guān)斷能夠致使IGBT超出關(guān)斷安全作業(yè)區(qū)而處于擎住狀況。
實(shí)驗(yàn)成果
這種維護(hù)計(jì)劃已成功地使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，用于資料電暈處置。樣機(jī)輸出功率約10kW.因?yàn)樨?fù)載是高壓電暈處置器，升壓變壓器內(nèi)部簡(jiǎn)單發(fā)作原、副邊擊穿表象。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不論關(guān)于負(fù)載短路，變壓器擊穿致使的過流，仍是輸入電壓過高致使的過流都能極好地維護(hù)逆變器不受損壞。
結(jié)論
IGBT是逆變器中最簡(jiǎn)單損壞的有些，格外是關(guān)于電壓型可控整流電路。在對(duì)IGBT直通維護(hù)時(shí)還要考慮到關(guān)斷逆變器對(duì)前級(jí)電路的影響。這篇文章所介紹的整流逆變一起維護(hù)的計(jì)劃能夠可靠維護(hù)整個(gè)逆變器，并在實(shí)踐中取得了良好的作用。
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