大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護方案
跟著電力電子器材制作技術(shù)的開展，高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）因其具有電壓型操控、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、開關(guān)損耗低及作業(yè)頻率高級特色，而越來越多地使用到作業(yè)頻率為幾十kHz以下，輸出功率從幾kW到幾百kW的各類電力變換設(shè)備中。IGBT逆變器中最重要的環(huán)節(jié)即是高性能的過流維護電路的規(guī)劃。專用驅(qū)動模塊都帶有過流維護功用。一些分立的驅(qū)動電路也帶有過電流維護功用。在工業(yè)使用中，通常都是使用這些瞬時過電流維護信號，經(jīng)過觸發(fā)器時序邏輯電路的回憶功用，構(gòu)成回憶確定維護電路，以防止維護電路在過流時的頻頻動作，完成可取的過流維護。這篇文章剖析了大功率可控整流電壓型逆變器中封閉驅(qū)動及整流拉逆變式兩層維護電路布局。
IGBT失效緣由和維護辦法
IGBT失效緣由剖析
致使IGBT失效的緣由有：
1）過熱損壞集電極電流過大致使的瞬時過熱及其它緣由，如散熱不良致使的持續(xù)過熱均會使IGBT損壞。假如器材持續(xù)短路，大電流發(fā)作的功耗將致使溫升，因為芯片的熱容量小，其溫度敏捷上升，若芯片溫度超越硅本征溫度（約250℃），器材將失掉阻斷才能，柵極操控就無法維護，然后致使IGBT失效[1].實踐運轉(zhuǎn)時，通常最高答應的作業(yè)溫度為130℃左右。
2）超出關(guān)斷安全作業(yè)區(qū)致使擎住效應而損壞擎住效應分靜態(tài)擎住效應和動態(tài)擎住效應。IGBT為PNPN4層布局，其等效電路如圖1所示。體內(nèi)存在一個寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個別區(qū)擴展電阻Rs，P型體內(nèi)的橫向空穴電流在Rs上會發(fā)作必定的電壓降，對NPN基極來說，相當于一個正向偏置電壓。在規(guī)則的集電極電流范圍內(nèi)，這個正偏置電壓不大，對NPN晶體管不起任何作用。當集電極電流增大到必定程度時，該正向電壓足以使NPN晶體管注冊，進而使NPN和PNP晶體管處于飽滿狀況。所以，寄生晶閘管導通，門極失掉操控作用，構(gòu)成自鎖表象，這即是所謂的靜態(tài)擎住效應。IGBT發(fā)作擎住效應后，集電極電流增大，發(fā)作過高功耗，致使器材失效。動態(tài)擎住效應主要是在器材高速關(guān)斷時電流下降太快，dvCE/dt很大，致使較大位移電流，流過Rs，發(fā)作足以使NPN晶體管注冊的正向偏置電壓，形成寄生晶閘管自鎖[2].
3）瞬態(tài)過電流IGBT在運轉(zhuǎn)進程中所接受的大幅值過電流除短路、直通等毛病外，還有續(xù)流二極管的反向恢復電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲攪擾形成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過電流盡管持續(xù)時刻較短，但假如不采取辦法，將添加IGBT的負擔，也能夠會致使IGBT失效。
4）過電壓形成集電極發(fā)射極擊穿。
5）過電壓形成柵極發(fā)射極擊穿。整流拉逆變式組合維護計劃
IGBT維護辦法
當過流狀況出現(xiàn)時，IGBT有必要維持在短路安全作業(yè)區(qū)（SCSOA）內(nèi)。IGBT接受短路的時刻與電源電壓、柵極驅(qū)動電壓以及結(jié)溫有密切聯(lián)系。為了防止因為短路毛病形成IGBT損壞，有必要有完善的毛病檢測與維護環(huán)節(jié)。通常的檢測辦法分為電流傳感器和IGBT欠飽滿式維護。
1）封閉驅(qū)動信號
在逆變電源的負載過大或輸出短路的狀況下，經(jīng)過逆變橋輸入直流母線上的電流傳感器進行檢測。當檢測電流值超越設(shè)定的閾值時，維護動作封閉一切橋臂的驅(qū)動信號。這種維護辦法最直接，但吸收電路和箝位電路有必要經(jīng)格外規(guī)劃，使其適用于短路狀況。這種辦法的缺陷是會形成IGBT關(guān)斷時接受應力過大，格外是在關(guān)斷理性超大電流時，有必要留意擎住效應。
2）減小柵壓
IGBT的短路電流和柵壓有密切聯(lián)系，柵壓越高，短路時電流就越大。在短路或瞬態(tài)過流狀況下若能在剎那間將vGS分步削減或斜坡削減，這樣短路電流便會減小下來，當IGBT關(guān)斷時，di/dt也減小。集成驅(qū)動電路如EXB841或M579xx系列都有檢測vCES電路，當發(fā)現(xiàn)欠飽滿時，柵壓箝位到10V左右，增大vCES，限制過電流幅值，延伸答應過流時刻。短路答應時刻tsc和短路電流Isc同柵極電壓vG的聯(lián)系如圖2所示。
整流拉逆變式組合維護計劃
3.1逆變有些維護
本規(guī)劃逆變器為半橋式布局，串聯(lián)諧振負載，驅(qū)動選用IR公司的IR2110半橋驅(qū)動芯片。IR2110電路簡略，成本低，適用于中大功率IGBT，實驗成果也驗證了IR2110驅(qū)動中大功率IGBT的可行性。IR2110芯片有一個封閉兩路驅(qū)動的SD輸入端，當此引腳為高電平時，立刻封閉兩路輸出，如圖3所示。
電壓型逆變器致使短路毛病的緣由有：
1）直通短路橋臂中某一個器材（包括反并二極管）損壞；或因為操控電路，驅(qū)動電路的毛病，以及攪擾致使驅(qū)動電路誤觸發(fā)，形成一個橋臂中兩個IGBT一起注冊。
2）負載電路短路在某些升壓變壓器輸出場合，副邊短路的狀況。
3）逆變器輸出直接短路
圖4給出了維護電路框圖。直通維護電路有必要有非常快的速度，在通常狀況下，假如IGBT的額定參數(shù)挑選合理，10μs之內(nèi)的過流就不會損壞器材，所以有必要在這個時刻內(nèi)關(guān)斷IGBT.母線電流檢測用霍爾傳感器，呼應速度快，是短路維護檢測的最好挑選。對比器用LM319，檢測值與設(shè)定值對比，一旦超越，立刻輸出維護信號封閉驅(qū)動。一起用觸發(fā)器構(gòu)成回憶確定維護電路，以防止維護電路在過流時的頻頻動作。外接的復位電路也不行短少。
3.2整流有些維護
關(guān)于大功率電壓型逆變器，為了改進進線電流波形，通常在直流母線上串有濾波電感，如圖5所示。因為電感的存在，當逆變電路一旦中止作業(yè)，假如整流電路仍處在整流狀況，則電感中的能量將向電容開釋，在逆變維護動作剎那間電容將接受一個很高的過沖電壓，若不采取辦法，能夠會直接致使電容過壓損壞。尤其在負載電流很高，L中儲能很大時，愈加風險。
假定逆變關(guān)斷時濾波電感中的電流全部從電容C中流過，一起整流器持續(xù)輸出電壓Ud.圖6給出了等效電路，L與C串聯(lián)諧振，因為整流橋電流只能單向流轉(zhuǎn)，所以振動到T/4時完畢。
可見在諧振到1/4周期時，電容上的電壓到達最大值，之后諧振中止。
電容上最終電壓與母線電流，電感及電容有關(guān)。在咱們實驗用的10kW樣機中，直流母線電壓200V時讓逆變剎那間在維護信號下關(guān)斷，母線電壓俄然上升到近450V.關(guān)于此種表象，選用在維護動作的一起將整流電路拉到逆變作業(yè)狀況（觸發(fā)角α拉到約150°），使濾波電感中的能量大有些回饋到電網(wǎng)。
在實踐使用中，因為驅(qū)動電路的毛病致使上下橋臂IGBT直通的能夠性很小。鑒于此，也能夠選用單一的整流有些拉逆變的維護辦法。關(guān)于像負載過流或短路，都能在IGBT答應的短路電流時刻內(nèi)將整個設(shè)備的作業(yè)停下來。這種維護辦法并不直接關(guān)于IGBT，而是將前級整流輸入關(guān)斷，毛病時IGBT仍處于作業(yè)狀況。這歸于“軟維護”，對IGBT沒有應力沖擊，一起也能夠防止在大電流下剎那間關(guān)斷能夠致使IGBT超出關(guān)斷安全作業(yè)區(qū)而處于擎住狀況。
實驗成果
這種維護計劃已成功地使用于大功率高頻高壓電壓型串聯(lián)諧振逆變器中，中壓輸出經(jīng)升壓變壓器升到6kV，用于資料電暈處置。樣機輸出功率約10kW.因為負載是高壓電暈處置器，升壓變壓器內(nèi)部簡單發(fā)作原、副邊擊穿表象。實驗中發(fā)現(xiàn)，不論關(guān)于負載短路，變壓器擊穿致使的過流，仍是輸入電壓過高致使的過流都能極好地維護逆變器不受損壞。
結(jié)論
IGBT是逆變器中最簡單損壞的有些，格外是關(guān)于電壓型可控整流電路。在對IGBT直通維護時還要考慮到關(guān)斷逆變器對前級電路的影響。這篇文章所介紹的整流逆變一起維護的計劃能夠可靠維護整個逆變器，并在實踐中取得了良好的作用。
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