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IGBT保护电路设计中的需要注意哪些问题

文章出处:http://alashan.3dcoo.com   责任编辑:阿拉善变压器厂   发布时间:2019-08-07    点击数:137   【

IGBT保护电路设计中的需要注意哪些问题?

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但电流较大;MOSFET功率很小,速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,功率小而饱和压降低。非常适合应用于电压为600V及以上的变流系统如交流电机、阿拉善油浸式变压器、阿拉善油浸式变压器、照明电路、牵引传动等领域。IGBT由于具有多种优良的特性,使它得到了快速的发展和普及,已应用到电力电子的各方各面。因此熟悉IGBT性能,了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。本文从实际应用出发,总结出了过流、过压与过热保护的相关问题和各种保护方法,实用性强,应用效果好。

过流保护

过流保护用PTC热敏电阻通过其阻值突变限制整个线路中的消耗来减少残余电流值。可取代传统的保险丝,广泛用于马达、变压器、阿拉善油浸式变压器、电子线路等的过流过热保护,传统的保险丝在线路熔断后无法自行恢复, 而过流保护用PTC热敏电阻在故障撤除后即可恢复到预保护状态,当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功能。

对IGBT的过流检测保护分两种情况:

主电路和控制电路之间,用来对控制电路的信号进行放大的中间电路(即放大控制电路的信号使其能够功率晶体管),称为电路。安规问题,电路副边与主电路有耦合关系,而原边是与控制电路连在一起, 主电路是一次电路,控制电流是ELV电路, 一次电路和ELV电路时间要做基本绝缘,实现绝缘要求一般就采取变压器光耦等隔离措施。

图1

(1)电路中无保护功能。这时在主电路中要设置过流检测器件。对于小容量阿拉善油浸式变压器,一般是把电阻R直接串接在主电路中,如图1(a)所示,通过电阻两端的电压来反映电流的大小;对于大中容量阿拉善油浸式变压器,因电流大,需用电流互感器TA(如霍尔传感器等)。电流互感器所接位置:一是像串电阻那样串接在主回路中,如图1(a)中的虚线所示;二是串接在每个IGBT上,如图1(b)所示。前者只用一个电流互感器检测流过IGBT的总电流,经济简单,但检测精度较差;后者直接反映每个IGBT的电流,测量精度高,但需6个电流互感器。过电流检测出来的电流信号,经光耦管向控制电路输出封锁信号,从而关断IGBT 的触发,实现过流保护。

(2)电路中设有保护功能。如日本英达公司的HR065、富士电机的EXB840~844、三菱公司的M57962L等,是集与保护功能于一体的集成电路(称为混合),其电流检测是利用在某一正向栅压Uge下,正向导通管压降Uce(ON)与集电极电流Ie成正比的特性,通过检测 Uce(ON)的大小来判断Ie的大小,产品的可靠性高。不同型号的混合,其输出能力、速度与du/dt的承受能力不同,使用时要根据实际情况恰当选用。

由于混合本身的过流保护临界电压动作值是固定的(一般为7~10V),因而存在着一个与IGBT配合的问题。通常采用的方法是调整串联在 IGBT集电极与之间的二极管V的个数,如图2(a)所示,使这些二极管的通态压降之和等于或略大于过流保护动作电压与IGBT的通态饱和压降Uce(ON)之差。

图2

上述用改变二极管的个数来调整过流保护动作点的方法,虽然简单实用,但精度不高。这是因为每个二极管的通态压降为固定值,使得与IGBT集电极c之间的电压不能连续可调。在实际工作中,改进方法有两种:

(1)改变二极管的型号与个数相结合。例如,IGBT的通态饱和压降为2.65V,过流保护临界动作电压值为7.84V时,那么整个二极管上的通态压降之和应为7.84-2.65=5.19V,此时选用7个硅二极管与1个锗二极管串联,其通态压降之和为 0.7×7+0.3×1=5.20V(硅管视为0.7V,锗管视为0.3V),则能较好地实现配合(2)二极管与电阻相结合。由于二极管通态压降的差异性,上述改进方法很难精确设定IGBT过流保护的临界动作电压值 如果用电阻取代1~2个二极管,如图2(b),则可做到精确配合。

图3

另外,由于同一桥臂上的两个IGBT的控制信号重叠或器件本身延时过长等原因,使上下两个IGBT直通,桥臂短路,此时电流的上升率和浪涌冲击电流都很大,极易损坏IGBT 为此,还可以设置桥臂互锁保护,如图3所示。图中用两个与门对同一桥臂上的两个IGBT的信号进行互锁,使每个IGBT的工作状态都互为另一个 IGBT信号可否通过的制约条件,只有在一个IGBT被确认关断后,另一个IGBT才能导通,这样严格防止了臂桥短路引起过流情况的出现。


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