IGBT的保护.doc

1、IGBT 的 保 护将 IGBT 用 于 变 换 器 时 ， 应 采 取 保 护 措 施 以 防 损 坏 器 件 ， 常 用 的 保 护 措 施 有 ：（ 1） 通 过 检 出 的 过 电 流 信 号 切 断 门 极 控 制 信 号 ， 实 现 过 电 流 保 护 ；（ 2） 利 用 缓 冲 电 路 抑 制 过 电 压 并 限 制 du/dt；（ 3） 利 用 温 度 传 感 器 检 测 IGBT 的 壳 温 ， 当 超 过 允 许 温 度 时 主 电 路 跳 闸 ， 实 现 过 热 保 护 。下 面 着 重 讨 论 因 短 路 而 产 生 的 过 电 流 及 其 保 护 措 施 。前 已 述

2、 及 ， IGBT 由 于 寄 生 晶 闸 管 的 影 响 ， 当 流 过 IGBT 的 电 流 过 大 时 ， 会 产 生 不 可 控 的 擎 住效 应 。 实 际 应 用 中 应 使 IGBT 的 漏 极 电 流 不 超 过 额 定 电 流 ， 以 避 免 出 现 擎 住 现 象 。 一 旦 主 电 路 发 生 短路 事 故 ， IGBT 由 饱 和 导 通 区 进 入 放 大 区 ， 集 电 极 电 流 IC 并 未 大 幅 度 增 加 ， 但 此 时 漏 极 电 压 很 高 ，IGBT 的 功 耗 很 大 。 短 路 电 流 能 持 续 的 时 间 t 则 由 漏 极 功 耗 所 决

3、定 。 这 段 时 间 与 漏 极 电 源 电 压UDD、 门 极 电 压 UGS 及 结 温 Tj 密 切 相 关 。 图 1 给 出 了 允 许 短 路 时 间 t 和 电 源 电 压 UDD 的 关 系 曲 线 。图 1(a)中 示 出 了 测 试 电 路 和 UGS、 iD 的 波 形 ， 测 试 条 件 为 ： 受 试 元 件 为 50A/1000V 的IGBT， RG 为 24， Tj 为 25 ， UGS 为 15V。 图 1(b)为 允 许 短 路 时 间 与 电 源 电 压 的 关 系 曲 线 ， 由 图可 知 ， 随 着 电 源 电 压 的 增 加 ， 允 许 短 路 过

4、电 流 时 间 t 减 小 。 在 负 载 短 路 过 程 中 ， 漏 极 电 流 iD 也 随门 极 电 压 +UGS 的 增 加 而 增 加 ， 并 使 IGBT 允 许 的 短 路 时 间 缩 短 。 由 于 允 许 的 短 路 时 间 随 门 极 电 压 的增 加 而 减 小 。 所 以 ， 在 有 短 路 过 程 的 设 备 中 ， IGBT 的 +UGS 应 选 用 所 必 须 的 最 小 值 。 必 须 指 出 ， 在允 许 的 短 路 时 间 内 ， IGBT 工 作 在 放 大 区 ， 漏 极 电 流 波 形 与 门 极 输 入 电 压 波 形 很 相 似 。对 IGBT 的

5、 过 电 流 保 护 可 采 用 集 射 极 电 压 识 别 的 方 法 ， 在 正 常 工 作 时 ， IGBT 的 通 态 饱 和 电 压降 Uon 与 集 电 极 电 流 iC 呈 近 似 线 性 变 化 的 关 系 ， 识 别 Uon 的 大 小 即 可 判 断 IGBT 集 电 极 电 流 的 大 小 。IGBT 的 结 温 升 高 后 ， 在 大 电 流 情 况 下 通 态 饱 和 压 降 增 加 ， 这 种 特 性 有 利 于 过 电 流 识 别 保 护 。 图2 为 过 电 流 保 护 电 路 ， 由 图 可 知 ， 集 电 极 电 压 与 门 极 驱 动 信 号 相 “与 ”

6、后 输 出 过 电 流 信 号 ， 将 此 过 电流 信 号 反 馈 至 主 控 电 路 切 断 门 极 信 号 ， 以 保 护 IGBT 不 受 损 坏 。 具 体 应 用 中 尚 须 注 意 以 下 两 个 问 题 。（ 1） 识 别 时 间 。 从 识 别 出 过 电 流 信 号 至 切 断 门 极 信 号 的 这 段 时 间 必 须 小 于 IGBT 允 许 短 路 过电 流 的 时 间 。 前 已 述 及 ， IGBT 对 短 路 电 流 的 承 受 能 力 与 其 饱 和 管 压 降 的 大 小 和 门 极 驱 动 电 压 UGS的 大 小 有 很 大 关 系 。 饱 和 压 降

7、越 大 ， 短 路 承 受 能 力 越 强 ； UGS 越 小 ， 短 路 承 受 能 力 也 越 强 。 对 于 饱和 压 降 为 23V 的 IGBT， 当 UGS=15V 时 ， 其 短 路 承 受 能 力 仅 为 5s。 为 了 有 效 保 护 IGBT， 保护 电 路 必 须 在 2s 内 动 作 ， 这 样 短 的 反 应 时 间 往 往 使 用 保 护 电 路 很 难 区 分 究 竟 是 真 短 路 还 是 “假 短路 ”（ 例 如 续 流 二 极 管 反 向 恢 复 过 程 ， 其 时 间 就 在 12s 之 间 ） ， 这 就 对 整 个 系 统 的 可 靠 性 带 来 不利

8、 的 影 响 。 为 此 不 仅 应 采 取 快 速 光 耦 合 器 件 VL 及 快 速 传 送 电 路 ， 而 且 有 必 要 利 用 降 低 门 极 电 压 增 加IGBT 承 受 短 路 的 能 力 这 一 特 性 。 当 UGS 由 15V 降 至 10V 时 ， 其 短 路 承 受 能 力 则 由 5s 增 至15s。 这 样 ， 保 护 电 路 动 作 就 可 以 延 长 10s。 这 时 如 果 短 路 仍 存 在 ， 则 认 为 是 真 短 路 ， 完 全 关 断IGBT； 如 果 短 路 消 失 ， 就 是 “假 短 路 ”， 就 把 UGS 由 10V 恢 复 到 正 常

9、 值 15V， 从 而 既 可 有 效 保 护IGBT， 又 不 误 动 作 。（ 2） 保 护 时 的 关 断 速 度 问 题 。 由 于 IGBT 过 流 时 电 流 幅 值 很 大 ， 加 之 IGBT 关 断 速 度 很 快 ，如 果 按 正 常 时 的 关 断 速 度 ， 就 会 造 成 Ldi/dt 过 大 ， 形 成 很 高 的 尖 峰 电 压 ， 极 易 损 坏 IGBT 和 设 备中 的 其 他 元 器 件 ； 因 此 有 必 要 让 IGBT 在 允 许 的 短 路 时 间 内 采 取 措 施 使 IGBT 进 行 “慢 速 关 断 ”。 当检 测 到 真 短 路 时 ，

10、驱 动 电 路 在 关 断 IGBT 时 ， 必 须 让 门 极 电 压 较 慢 地 由 15V 下 降 ， 其 原 理 如 图3(a)所 示 ， 图 中 T3 平 时 是 导 通 的 ， 电 阻 R1 不 被 引 入 ； 一 旦 需 要 慢 速 切 断 ， 则 T3 管 截 止 ， IGBT输 入 电 容 通 过 RG、 R1 放 电 ， 时 间 常 数 加 大 ， 放 电 速 度 降 低 。 图 3(b)为 常 态 快 速 切 断 与 过 电 流 慢 速切 断 两 种 情 况 下 的 漏 极 电 流 波 形 变 化 示 意 图 。20 世 纪 80 年 代 末 ， IGBT 开 始 向 智

11、 能 功 率 模 块 发 展 ， 现 已 发 展 到 第 三 代 。 各 代 的 内 置 功 能 如 下 。第 一 代 包 括 ： 连 接 功 率 器 件 和 控 制 电 压 的 接 口 电 路 ； 过 电 流 保 护 电 路 、 过 热 保 护 电 路 。第 二 代 包 括 ： 第 一 代 的 内 置 功 能 ； 上 、 下 支 路 的 信 号 分 配 电 路 （ 防 上 、 下 支 路 间 短 路 ） ； 电 路 用 电 源 。第 三 代 包 括 ： 第 二 代 的 内 置 功 能 ； PWM 控 制 电 路 ； 过 载 变 换 （ 负 载 和 模 块 自 身 保 护 电路 ） ； 过 电 压 保 护 电 路 （ 直 流 电 压 异 常 增 加 时 ， 模 块 本 身 的 保 护 电 路 ） 。由 此 可 见 ， 第 三 代 IGBT 智 能 功 率 模 块 具 有 逆 变 器 的 基 本 功 能 ， 使应 用 系 统 的 设 计 更 为 简 化 ， 装 置 的 零 部 件 大 为 减 少 ， 可 靠 性 得 以 提 高 。