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大功率开关电源IGBT短路保护的三种设计方法

时间:2013-04-12 09:12来源:洛阳科诺 作者:admin 点击:

      IGBT绝缘栅双极型晶体管是一种典型的双极MOS复合型功率器件。它结合功率MOSFET的工艺技术,将功率MOSFET和功率管GTR集成在同一个芯片中。该器件具有开关频率高、输入阻抗较大、热稳定性好、驱动电路简单、低饱和电压及大电流等特性,被作为功率器件广泛应用于工业控制、电力电子系统等领域(例如:伺服电机的调速、变频电源)。
      IGBT(绝缘栅双极型晶体管)兼有场效应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点,是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件。 IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小,一般仅为几μs至几十μs。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短,而且使关断时电流下降率 过大,由于漏感及引线电感的存在,导致IGBT集电极过电压,该过电压可使IGBT锁定失效,同时高的过电压会使IGBT击穿。因此,当出现短路过流时,必须采取有效的保护措施。
      为了实现IGBT的短路保护,则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法,通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic,然后与设定的阈值比较,用比较器的输出去控制驱动信号的关断;或者采用间接电压法,检测过流时IGBT的电压降Vce,因为管压降含有短路电流信息,过流时Vce增大,且基本上为线性关系,检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较,比较器的输出控制驱动电路的关断。
      在短路电流出现时,为了避免关断电流的 过大形成过电压,导致IGBT锁定无效和损坏,以及为了降低电磁干扰,通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。
      在设计降栅压保护电路时,要正确选择降栅压幅度和速度,如果降栅压幅度大(比如7。5V),降栅压速度不要太快,一般可采用2μs下降时间的软降栅压,由于降栅压幅度大,集电极电流已经较小,在故障状态封锁栅极可快些,不必采用软关断;如果降栅压幅度较小(比如5V以下),降栅速度可快些,而封锁栅压的速度必须慢,即采用软关断,以避免过电压发生。
      为了使电源在短路故障状态不中断工作,又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏,采用降栅压保护即可不必在一次短路保护立即封锁电路,而使工作频率降低(比如1Hz左右),形成间歇“打嗝”的保护方法,故障消除后即恢复正常工作。
下面是几种IGBT短路保护的实用电路及工作原理。
      (1)利用IGBT的Vce设计过流保护电路


图1:传统保护模式

      图1是利用IGBT过流时Vce增大的原理进行保护的电路,用于专用驱动器EXB841。EXB841内部电路能很好地完成降栅及软关断,并具有内部延迟功能,以消除干扰产生的误动作。含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的集电极电压监视脚6,而是经快速恢复二极管VD1,通过比较器IC1输出接至EXB841的脚6,其目的是为了消除VD1正向压降随电流不同而异,采用阈值比较器,提高电流检测的准确性。如果发生过流,驱动器EXB841的低速切断电路慢速关断IGBT,以避免集电极电流尖峰。
(2) 利用电流传感器设计过流保护电路


图2:新型防护模式

      图2(a)是利用电流传感器进行过流检测的IGBT保护电路,电流传感器(SC)初级(1匝)串接在IGBT的集电极电路中,次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端,与反相端的基准电压进行比较,IC1的输出送至具有正反馈的比较器IC2,其输出接至PWM控制器UC3525的输出控制脚10。不过流时,VAVref,VB为高电平,C3充电使VC>Vref,IC2输出高电平(大于1.4V),关闭PWM控制电路。因无驱动信号,IGBT关闭,而电源停止工作,电流传感器无电流流过,使VA参数,使PWM驱动信号关闭时间t2>>t1,可保证电源进入睡眠状态。正反馈电阻R7保证IC2只有高、低电平两种状态,D5,R1,C3充放电电路,保证IC2输出不致在高、低电平之间频繁变化,即IGBT不致频繁开通、关断而损坏。

(3) 综合过流保护电路


  传统型                                     新型保护模式

      图3是利用IGBT(V1)过流集电极电压检测和电流传感器检测的综合保护电路,电路工作原理是:负载短路(或IGBT因其它故障过流)时,V1的Vce增大,V3门极驱动电流经R2,R3分压器使V3导通,IGBT栅极电压由VD3所限制而降压,限制IGBT峰值电流幅度,同时经R5C3延迟使V2导通,送去软关断信号。另一方面,在短路时经电流传感器检测短路电流,经比较器IC1输出的高电平使V3导通进行降栅压,V2导通进行软关断。
      此外,还可以应用检测IGBT集电极电压的过流保护原理,采用软降栅压、软关断及降低工作频率保护技术的短路保护电路]。开关电源保护功能虽属电源装置电气性能要求的附加功能,但在恶劣环境及意外事故条件下,保护电路是否完善并按预定设置工作,对电源装置的安全性和可靠性至关重要。验收技术指标时,应对保护功能进行验证。
      开关电源的保护方案和电路结构具有多样性,但对具体电源装置而言,应选择合理的保护方案和电路结构,以使得在故障条件下真正有效地实现保护。