一種新型的IGBT短路保護電路的設計

摘要：提出了一種直接檢測ＩＧＢＴ發生短路故障的方法，在詳細分析ＩＧＢＴ短路檢測原理的基礎上給出了相應的ＩＧＢＴ短路保護電路。仿真及實驗結果均證明該電路工作穩定可靠，能很好地對ＩＧＢＴ實施有效的保護。

    關鍵詞：ＩＧＢＴ 短路保護 電路設計

固態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量的輸出電壓外，還對供電系統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退出飽和區而進入了放大區?使得開關損耗增大；二是ＩＧＢＴ發生短路，產生很大的瞬態電流，從而使ＩＧＢＴ損壞。ＩＧＢＴ的保護通常采用快速自保護的辦法?即當故障發生時，關斷ＩＧＢＴ驅動電路，在驅動電路中實現退飽和保護；或者當發生短路時，快速地關斷ＩＧＢＴ。根據監測對象的不同?ＩＧＢＴ的短路保護可分為Ｕｇｅ監測法或Ｕｃｅ監測法?二者原理基本相似?都是利用集電極電流ＩＣ升高時Ｕｇｅ或Ｕｃｅ也會升高這一現象。當Ｕｇｅ或Ｕｃｅ超過Ｕｇｅ?ｓａｔ?或Ｕｃｅ?ｓａｔ?時，就自動關斷ＩＧＢＴ的驅動電路。由于Ｕｇｅ在發生故障時基本不變，而Ｕｃｅ的變化較大?并且當退飽和發生時?Ｕｇｅ變化也小?難以掌握?因而在實踐中一般采用Ｕｃｅ監測技術來對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進行監測來實現對ＩＧＢＴ的保護。

采用本文介紹的ＩＧＢＴ短路保護電路可以實現快速保護，同時又可以節省檢測短路電流所需的霍爾電流傳感器，降低整個系統的成本。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動信號和相關的器件波形。現以正半波工作過程為例進行分析（對于三相ＰＷＭ電路，在整流、逆變工作狀態或單相ＤＣ／ＤＣ工作狀態下，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，受驅動信號的作用,Ｔ２、Ｔ４導通（實際上是Ｔ２導通, Ｄ４處于續流狀態），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所示的按指數規律上升的管壓降波形，該管壓降是通態電流在ＩＧＢＴ導通時的體電阻上產生的壓降；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。

圖2 IGBT短路保護電路原理圖

    根據以上的分析可知，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

[1] [2]