大功率igb延遲搜索過(guò)電流保護(hù)的研究

大功率igb延遲搜索過(guò)電流保護(hù)的研究

隨著全球控制裝置igdt（inter-gatebi代理）朝著高電流、高電壓、快速切割、易觸發(fā)等方向的不斷發(fā)展，它在大規(guī)模變流系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。目前,投入市場(chǎng)的有IGBT模塊,也有集成了IGBT、系統(tǒng)自保護(hù)、自診斷等功能的智能功率模塊IPM。但是,IPM功率相對(duì)較小,在大功率場(chǎng)合應(yīng)用受到了限制。對(duì)于投入市場(chǎng)的獨(dú)立集成驅(qū)動(dòng)模塊,驅(qū)動(dòng)能力有限,而且由于考慮到通用性,驅(qū)動(dòng)模塊的過(guò)流保護(hù)和時(shí)間參數(shù)往往調(diào)節(jié)困難或能調(diào)節(jié)的參數(shù)少,給具體應(yīng)用帶來(lái)了不便。所以,對(duì)于大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路進(jìn)行研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。1雙電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)于大功率IGBT,選擇驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該基于以下的參數(shù)要求:器件關(guān)斷偏置、門極電荷、耐固性和電源情況等。由于雙電源驅(qū)動(dòng)方法可使得IGBT穩(wěn)定工作,性能可靠,所以被大量采用。雙電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)電路的正偏電壓+Vge、負(fù)偏電壓-Vge及門極電阻R的影響。表1給出了門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性之間的關(guān)系。其中,Vces,ton,toff,Vce分別為集電極-發(fā)射極飽和壓降、開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間和集電極-發(fā)射極電壓?！?、-、↓分別表示增加、不變、減少。2保護(hù)電路2.1igbt過(guò)流的檢測(cè)檢測(cè)IGBT飽和壓降的“延時(shí)搜索過(guò)電流保護(hù)”是一種比較好的方法。它可迅速檢測(cè)出IGBT是否過(guò)流并采取保護(hù)措施。原理如圖1、2所示。圖1是IGBT飽和壓降和集電極電流之間的關(guān)系,圖2為門極電壓和IGBT允許過(guò)電流、允許過(guò)流持續(xù)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1和2中,Ic,Ie,Isc分別為IGBT通過(guò)的電流,額定電流,短路電流,Vi(i=1,2,5,10)為IGBT通過(guò)i倍額定電流時(shí)的飽和壓降,Vg為IGBT門極電壓,tsc為允許過(guò)流持續(xù)時(shí)間,I1和I2是過(guò)流時(shí)門極電壓分別為15V和10V時(shí)IGBT通過(guò)的電流。從圖1看出,當(dāng)集電極電流增大時(shí),飽和壓降增大,二者大體成線性關(guān)系。所以,可通過(guò)檢測(cè)飽和壓降來(lái)判斷IGBT是否過(guò)流。從圖2可知,當(dāng)降低門極電壓時(shí),短路電流會(huì)立即減小,因而允許的短路時(shí)間增加。此外,由IGBT本身設(shè)計(jì)特點(diǎn)知,短路時(shí)IGBT在10μs內(nèi)可以承受10倍過(guò)電流,但當(dāng)過(guò)電流大于2倍額定電流時(shí),應(yīng)對(duì)IGBT進(jìn)行慢速關(guān)斷。2.2緩沖電路不沖壓電路對(duì)于過(guò)壓保護(hù)應(yīng)采取的措施為:1)加阻容或其他緩沖電路;2)門極和發(fā)射極之間加門極發(fā)射極電阻(圖3中的R13);3)門極和發(fā)射極之間并聯(lián)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管(圖3中的Z4和Z5)。2.3門極電阻的影響目的主要是防止擎住效應(yīng),及防止集電極電流連續(xù)值超過(guò)臨界值。采取措施包括:1)斷態(tài)時(shí)加足夠的負(fù)門極電壓(-10V);2)關(guān)斷時(shí),保證門極電阻較小,圖3中當(dāng)關(guān)斷時(shí)二極管D3使R12和R11并聯(lián),減小門極電阻;3)門極發(fā)射極電路電感應(yīng)盡可能小。3adg202控制原理圖3為設(shè)計(jì)的IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路圖。圖中的正體字為線的標(biāo)號(hào),其中A,B,Z,C,P連接到模塊開(kāi)關(guān)器件ADG202上。P為IGBT開(kāi)通和關(guān)斷的控制信號(hào),當(dāng)P為高時(shí),A和B被模擬開(kāi)關(guān)接通,控制IGBT導(dǎo)通;當(dāng)P為低電平時(shí),此模擬開(kāi)關(guān)打開(kāi),控制IGBT關(guān)斷。ADG202本身的管腳IN為控制信號(hào)的輸入端,D和S分別為模擬開(kāi)關(guān)的兩端。3.1正常工作原則1飽和壓降系統(tǒng)P為高電平時(shí),A和B接通。E點(diǎn)電壓為IGBT飽和壓降,N2關(guān)斷,N1導(dǎo)通,A,B點(diǎn)電壓為+15V,N4導(dǎo)通。Y點(diǎn)電壓約為+15V,通過(guò)門極電阻R11使得IGBT導(dǎo)通。2模擬開(kāi)關(guān)放電P為低電平時(shí),A和B斷開(kāi)。A點(diǎn)電壓為+15V,B點(diǎn)電壓為-15V。模擬開(kāi)關(guān)上的Z和+15V電壓斷開(kāi),N3不導(dǎo)通,C3和C4被二極管反向截止,不會(huì)放電。N5導(dǎo)通,加在門極上的-15V電壓使得IGBT關(guān)斷。3.2運(yùn)行時(shí)流量過(guò)流保護(hù)原則1r4接入電路IGBT過(guò)流時(shí),飽和壓降增加,D7反向截止,由于Z和+15V相連接,則C3被充電,兩端電壓逐漸增大。當(dāng)C3電壓高于比較器設(shè)定的比較電壓時(shí),比較器輸出高電平,N2導(dǎo)通,N1截止,R4被接入電路。R4的接入使得A,B電壓變?yōu)?10V。當(dāng)IGBT門極電壓降低到+10V后,過(guò)電流允許時(shí)間一般為10μs。此時(shí)間也可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行調(diào)節(jié),當(dāng)R7和C3確定后,通過(guò)選擇穩(wěn)壓二極管Z3的值可以設(shè)定此值。如果在10μs內(nèi)故障消失,IGBT飽和壓降降低,則D7導(dǎo)通,E點(diǎn)電壓降低,比較器輸出低電平,電路恢復(fù)正常工作。如果在10μs內(nèi)故障未消失,則C3繼續(xù)充電,當(dāng)大于穩(wěn)壓二極管Z3的值,使得N3導(dǎo)通,則光耦輸出故障信號(hào)。同時(shí)C4開(kāi)始通過(guò)R10放電,使得X,Y點(diǎn)電壓逐漸降低,IGBT被慢速關(guān)斷。21在關(guān)斷過(guò)程中，信號(hào)p降低過(guò)流故障時(shí),C點(diǎn)為高電平,從模擬開(kāi)關(guān)可知A和B、+15V和Z點(diǎn)一直被模擬開(kāi)關(guān)接通,所以上面的保護(hù)過(guò)程可正常進(jìn)行。4流量保護(hù)電路的參數(shù)設(shè)置1bt飽和壓降據(jù)圖1可知,啟動(dòng)保護(hù)電路的過(guò)電流應(yīng)對(duì)應(yīng)一個(gè)IGBT飽和壓降,所以可通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻P1來(lái)設(shè)定比較器的比較值。當(dāng)E點(diǎn)電壓,即IGBT飽和壓降大于此值時(shí),過(guò)流保護(hù)電路啟動(dòng)。比較電壓設(shè)定公式為2gbt飽和壓降可通過(guò)選擇電阻R7和C3電容的值來(lái)確定。其中,Vsat為IGBT飽和壓降。當(dāng)t設(shè)為1.5μs,Vsat-set2為5V,Vsat為3V時(shí),τ=R7×C3為8.23μs,可取電容C3為1000pF,電阻R7為8.25kΩ。32門極電壓值通過(guò)流量保護(hù)搜索時(shí)在過(guò)流搜索保護(hù)時(shí),門極上的電壓設(shè)定公式為一般可設(shè)為+10V。4搜索時(shí)間的確定降低門極電壓后的搜索時(shí)間(門極電壓為+10V時(shí)的延遲搜索時(shí)間)t2可通過(guò)穩(wěn)壓二極管Z3的值Vz3設(shè)定。式中:1.4V為光耦壓降,0.8V為N3的壓降。例如當(dāng)Vz3為24.24V時(shí),t2為10μs。5內(nèi)鏡電壓初始值可通過(guò)改變電阻R10來(lái)設(shè)定。t3由電容C4通過(guò)R10的放電速度決定。C4電壓初始值為+10V,計(jì)算方法參考前面的分析。關(guān)斷后加在門極上的電壓可通過(guò)R10,R9的阻值來(lái)決定。例如,當(dāng)要求t3為4μs,關(guān)斷后加在門極上的電壓為-10V時(shí),R10和R9可取為10,30Ω。5igbt過(guò)流故障的仿真用PSPICE對(duì)電路進(jìn)行了仿真,圖4到圖6為正常時(shí)仿真結(jié)果。其中VP,VA,VB,VE分別表示高電平為+5的控制信號(hào)及A,B,E點(diǎn)電壓。由圖4可以看出,正常工作時(shí),控制信號(hào)可控制IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí),E點(diǎn)電壓變化不大,即IGBT導(dǎo)通時(shí),E點(diǎn)電壓被飽和壓降箝位,當(dāng)關(guān)斷時(shí),電壓略有上升,不影響過(guò)流檢測(cè)。由圖5,6可看出,正常工作時(shí),當(dāng)IGBT導(dǎo)通,VA略有下降,主要是的導(dǎo)通壓降的影響。VB在導(dǎo)通時(shí)約為+15V,關(guān)斷時(shí)迅速下降到-15V。由圖4到圖6可看出,當(dāng)IGBT不過(guò)流時(shí),驅(qū)動(dòng)電路可可靠控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。圖7到圖9為過(guò)流故障時(shí)的仿真結(jié)果?？梢钥闯?當(dāng)在1.000ms時(shí)IGBT出現(xiàn)過(guò)流時(shí),VA和VB接近+15V,飽和電壓VE開(kāi)始上升。當(dāng)VE上升到比較器設(shè)定的比較電壓+5V時(shí),保護(hù)電路開(kāi)始工作,門極電壓VY在1.002ms處下降到+10V。此后VE繼續(xù)上升,延遲約10μs(約1.010ms)時(shí)故障仍然存在,則啟動(dòng)慢速關(guān)斷電路。由圖中可看出,在1.010s時(shí)門極電壓VY開(kāi)始從+10V下降,在1.014ms時(shí),下降到-10V左右,完成IGBT的慢速關(guān)斷。實(shí)驗(yàn)中,采用三菱公司型號(hào)為CM600DY-28H的IGBT。為了進(jìn)行對(duì)比,同時(shí)采用三菱公司的驅(qū)動(dòng)模塊M57962L集成芯片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)正常工作電流較大時(shí),采用驅(qū)動(dòng)模塊M57962L的門極電壓波形變差,保護(hù)電路動(dòng)作不靈敏。而依照此原理設(shè)計(jì)的電路,保護(hù)電路參數(shù)設(shè)置方便,性能可靠。6運(yùn)行結(jié)果和分析所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路