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電力變換裝置中短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
摘要：為了使電力變換裝置能夠安全可靠地工作，在分析其短路保護(hù)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，給出了幾種實(shí)用的電流保護(hù)電路，并對(duì)其工作機(jī)理進(jìn)行了詳盡的剖析，以便變通使用。關(guān)鍵詞：電力變換；過流保護(hù)；短路保護(hù)；軟關(guān)斷；降低柵壓保護(hù)
引言
由于電力變換裝置均工作在大功率環(huán)境中，過流和短路是不可避免的。為了確保電力變換裝置安全可靠地工作，有效的電流保護(hù)設(shè)計(jì)是必須的。而過流相對(duì)于短路對(duì)變換裝置的危害要小，再加上各種資料對(duì)過流保護(hù)介紹得比較多，故在此主要討論電力變換裝置中的短路保護(hù)的設(shè)計(jì)。
現(xiàn)代電力變換裝置均采用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，其所能承受的電流過載能力相對(duì)于旋轉(zhuǎn)變流裝置要低得多，如IGBT一般只能承受幾十個(gè)μs甚至幾個(gè)μs的過載電流，一旦短路發(fā)生就要求保護(hù)電路能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)關(guān)斷開關(guān)器件，切斷短路電流，使開關(guān)器件不致于因過流而損壞。但是，在短路情況下迅速關(guān)斷開關(guān)器件，將導(dǎo)致負(fù)載電流下降過快而產(chǎn)生過大的di/dt，由于引線電感和漏感的存在，過大的di/dt將產(chǎn)生很高的過電壓，而使開關(guān)器件面臨過壓擊穿的危險(xiǎn)。對(duì)于IGBT，過高的電壓又可能導(dǎo)致器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)失控而損壞器件。因此，必須綜合考慮和設(shè)計(jì)電力變換裝置短路保護(hù)，以確保電流保護(hù)的有效性。
1 短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
由于IGBT綜合了場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小和雙極晶體管電壓容量大，電流密度高的優(yōu)點(diǎn)，而成為了現(xiàn)代電力變換裝置中使用最廣泛的一種開關(guān)器件，下面以其為保護(hù)對(duì)象進(jìn)行討論。
1.1 過流信息檢測(cè)
為了實(shí)現(xiàn)IGBT的短路保?，必須進(jìn)行過流檢測(cè)。適用于過流檢測(cè)方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測(cè)IGBT的電流Ic，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)斷；也可以檢測(cè)過流時(shí)IGBT的集射極電壓Vce，因?yàn)楣軌航岛卸搪冯娏鞯男畔ⅲ^流時(shí)Vce將增大，且基本上與Ic呈線性關(guān)系，故檢測(cè)過流時(shí)的Vce并與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，用比較器的輸出控制驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷，也可完成過流保護(hù)。
1.2 降柵壓軟關(guān)斷半導(dǎo)體開關(guān)器件
在短路電流出現(xiàn)時(shí)，為了避免關(guān)斷IGBT時(shí)di/dt過大形成過電壓，導(dǎo)致IGBT失控或過壓損壞，通常采用降柵壓的軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)。即在檢測(cè)到過流信號(hào)后首先是進(jìn)入降柵壓保護(hù)，以降低故障電流的幅值，延長(zhǎng)IGBT承受過載電流的時(shí)間。在降柵壓動(dòng)作后，設(shè)定一個(gè)固定延遲時(shí)間以判斷故障電流的真實(shí)性，如在延遲時(shí)間內(nèi)故障消失則柵壓自動(dòng)恢復(fù)；如故障仍然存在則執(zhí)行軟關(guān)斷，使柵壓降至0V以下，最終關(guān)斷IGBT。采用降柵壓軟關(guān)斷綜合保護(hù)技術(shù)可使故障電流的幅值和下降率以及過電壓都受到限制，使IGBT的運(yùn)行軌跡處于安全區(qū)內(nèi)。
圖2
在設(shè)計(jì)降柵壓軟關(guān)斷保護(hù)電路時(shí)，要正確選擇降柵壓的幅度和速度。如果降柵壓幅度較大（如7.5V以上），則降柵壓的速度就不要太快，一般采用2μs左右的下降時(shí)間。由于降柵壓幅度大，集電極電流已經(jīng)較小，則封鎖柵極可快些，不
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