IGBT的過電壓保護(hù)及其緩沖電路

譚耀燊+劉新根

文章首先設(shè)計(jì)出斬波電路緩沖電路的模型，并研究和探討了它的工作原理及過程，繼而分析了該種電路對(duì)各元器件參數(shù)的要求,將其看作選擇參數(shù)的根據(jù);與此同時(shí)又指出緩沖電路在安裝的時(shí)候要注意的一些問題；最后給出了IGBT的過電壓保護(hù)和過流保護(hù)的措施。

【關(guān)鍵詞】IGBT 緩沖電路 過電壓保護(hù)

伴隨電力及電子科技的迅猛發(fā)展,IGBT這種全控型的開關(guān),以它良好的性能在高壓大功率的電路中漸漸替代了以往的SCR從而得到十分廣泛的運(yùn)用。因?yàn)镮GBT開關(guān)的速率非常大,很容易在開關(guān)二端出現(xiàn)很高的du/dt以及尖峰電壓Upk,導(dǎo)致器件受到損害，縮短壽命,使得發(fā)生故障的概率大大增加。故而,應(yīng)在電路內(nèi)增設(shè)緩沖電路。緩沖電路類型的選取應(yīng)該綜合考慮多方面因素確定。一般而言,在低頻小功率的時(shí)候,電容吸收電路即能夠滿足性能上的要求,而如果伴隨功率的進(jìn)一步增大,電容將和電路內(nèi)的寄生電感產(chǎn)生諧振。RCD的運(yùn)用十分的廣泛,其不但可以滿足系統(tǒng)要求,還可于某種程度上抑制諧振,而且相對(duì)放電阻止型吸收電路而言，其成本相對(duì)比較低。

1 緩沖電路的工作原理和參數(shù)計(jì)算

在以下的分析時(shí)設(shè)定下述條件：二極管和IGBT都是理想的器件，其通態(tài)壓降都是零；電容為純?nèi)菪裕姼袨榧兏行裕渲卸紱]有電阻。

1.1 換流過程

換流前的初始狀態(tài)分析如下:Vc、VD1、VD2都在截止的狀態(tài)；電流流經(jīng)過L1、IGBT構(gòu)成回路，同時(shí)在這個(gè)過程內(nèi)始終為恒值。緩沖電路圖見圖1。

1.2 諧振階段

以上的換流階段完成以后,IGBT已經(jīng)完全切斷,也就是it=0，繼而Cs仍然通過電源向其進(jìn)行充電,二端的電壓仍在升高。當(dāng)達(dá)到Ucs=Ud的時(shí)候,VD0開始受到正向偏置的電壓,達(dá)到導(dǎo)通的狀態(tài),而il通過VD0續(xù)流。繼而系統(tǒng)內(nèi)的雜散電感和電容Cs產(chǎn)生諧振,VDs仍保持導(dǎo)通的狀態(tài),電感內(nèi)的能量都轉(zhuǎn)移到了電容內(nèi)。

1.3 電容Cs放電

等諧振的過程結(jié)束以后,VDs完成截止,Cs則開始利用電源、L1和Rs進(jìn)行放電。放電初始的時(shí)候,Cs二端的電壓是:U1=Upk2。等放電完成以后,Cs二端的電壓最終穩(wěn)定為Ud,也就是:U2=Ud。該過程中Cs內(nèi)的能量損失了,此些能量全都消耗于Rs中,因此,Rs在一個(gè)周期中消耗的能量為:WS=WC,它的功率損耗是:PS=WSfW。然而也要注意到,在實(shí)際的工作當(dāng)中,負(fù)載亦吸收掉部分能量,故而在一個(gè)周期中Rs消耗的能量要比計(jì)算的小。而Rs參數(shù)的選擇,其實(shí)并無很特別的要求,只要能夠確保:一則Rs功率滿足要求,不至在泄放的時(shí)候被燒掉；二則在IGBT最小周期中Cs的電流能夠泄放到Ud。

1.4 快恢復(fù)二極管VDs

在吸收電路內(nèi),VDs的額定電壓要和被保護(hù)的IGBT額定電壓差不多大才行,電流的峰值要和IGBT的峰值一樣,而因?yàn)楸Ｗo(hù)電路作用的時(shí)間非常短,一般都取IGBT額定電流的1/20就行。在進(jìn)行大功率高頻工作的時(shí)候,在VDs回路內(nèi)要串接一個(gè)阻值比較小的電阻，從而有效的降低VDs的電流損耗。

2 電路布線和吸收電路安裝中的注意事項(xiàng)

緩沖電路的安裝過程中,要最大限度減少電路內(nèi)雜散電感的出現(xiàn)頻次。而有關(guān)母線進(jìn)線的材質(zhì),可選擇銅排,如此一來可有效的降低電路的雜散電感,抑或是運(yùn)用緊縮布線的方法,亦可把吸收電路的回路集成于一塊印刷電路板中,從而能夠降低回路的雜散電感。

3 IGBT的過壓保護(hù)

IGBT中產(chǎn)生過壓的因素主要包括: 靜電聚積于柵極電容上導(dǎo)致過壓、電容密勒效應(yīng)導(dǎo)致的柵極過壓。為有效避免IGBT的柵極-發(fā)射極過壓的出現(xiàn),可以于IGBT的柵極和發(fā)射極間并接一個(gè)數(shù)十千歐的電阻，該電阻要最大限度的接近柵極和發(fā)射極。保護(hù)電路主要通過光電耦合器的通斷予以控制。當(dāng)電壓正常的時(shí)候，光電耦合器基本上沒有輸出，VT管因被反偏而導(dǎo)致截止。當(dāng)電路的電壓升高的時(shí)候，取樣電路的次級(jí)電壓也相應(yīng)的升高，此時(shí)光電耦合器滿足工作的條件。光耦輸出的電流變大，使得VT管偏置電壓隨之升高且飽和導(dǎo)通，執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼電器動(dòng)作吸合，切斷電源從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電器的目的。如果故障消除，電壓會(huì)隨之正常，該電路立即停止工作，從而恢復(fù)電路的供電。

4 IGBT的過流保護(hù)

為有效避免電路過流給IGBT元件造成損壞,就應(yīng)設(shè)過流保護(hù)電路, 在出現(xiàn)過流的時(shí)候, 及時(shí)的檢測(cè)到過流的情況并切斷IGBT。在對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候要運(yùn)用集成驅(qū)動(dòng)模塊, 以充分運(yùn)用其保護(hù)功能。IGBT 由于飽和壓降相對(duì)比較低, 會(huì)使得短路電流比較大, 因此在發(fā)生短路故障的時(shí)候, 應(yīng)運(yùn)用具備降柵壓和軟關(guān)斷功能的保護(hù)電路。

5 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)了斬波電路內(nèi)緩沖電路的模型,同時(shí)對(duì)其工作原理及過程予以探討研究,還提出緩沖電路在安裝的時(shí)候要注意的一些問題，并給出了IGBT的過電壓保護(hù)和過流保護(hù)的措施。分析探究的結(jié)果可以看出: 科學(xué)合理的布線以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是確保IGBT 電路能夠正常可靠的工作的一個(gè)重要前提。

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作者單位

1.上海交通大學(xué) 上海市 200030

2.杭州銀湖電氣設(shè)備有限公司 浙江省杭州市 310027