变频电源驱动电路中IGBT的过流保护

    IGBT的过流保护电路可分为两类：一类是低倍数的（1.2~1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8—10倍）的短路保护。    对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。    IGBT能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4~5V时可达30μs以上。存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。    通常采取的保护措施有软关断和降栅压两种。软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。但是，软关断抗干扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。为增加保护电路的抗干扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。所以往往是保护电路启动了，器件已经损坏了。    降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗干扰能力。    上述降栅压的方法只考虑了栅压与短路电流大小的关系，而在实际过程中，降栅压的速度也是一个重要因素，它直接决定了故障电流下降的di/df。慢降栅压技术就是通过限制降栅压的速度来控制故障电流的下降速率，从而抑制器件的du/dt和Uce的峰值。图3-14给出了实现慢降栅压的具体电路。
    图3-14    实现慢降栅压的电路    正常工作时，因故障检测二极管VD1的导通，将a点的电压钳位在稳压二极管VDZ1的击穿电压以下，晶体管VT1始终保持截止状态。S1通过驱动电阻Rg正常开通和关断。电容C2为硬开关应用场合提供一很小的延时，使得S1开通时Uce有一定的时间从高电压降到通态压降，而不使保护电路动作。    当电路发生过流和短路故障时，S1上的Uce上升，a点电压随之上升，达到一定值时（保护设定值），VDZ1击穿，VT1开通，b点电压下降，电容C1通过电阻R1充电，电容电压从零开始上升，当电容电压上升到约1.4V时，晶体管VT2开通，栅极电压Uge随电容电压的上升而下降，通过调节C1的数值，可控制电容的充电速度，进而控制Uge的下降速度；当电容电压上升到稳压二极管VD22的击穿电压时，VD22击穿，Uge被钳位在一固定的数值上，慢降栅压过程结束，同时驱动电路通过光耦输出过流信号。如果在延时过程中，故障信号消失了，则a点电压降低，VT1恢复截止，C1通过R2放电，d点电压升高，VT2也恢复截止，Uge上升，电路恢复正常工作状态。    对IGBT的过流保护，主要有3种电流检测方法。    (1)用电阻或电流互感器检测过流进行保护。如图3-15 (a)及图3-15 (b)所示，可以用电阻或电流互感器与IGBT串联，检测流过IGBT集电极的电流。当有过流情况发生时，控制电路发出断开IGBT的输入指令，达到保护IGBT的目的。    (2)由IGBT的Uce(sat)检测过流进行保护。如图3-15 (c)所示，因Uce(sat)=IcRce(sat)，当Ic增大时，Uce(sat)也随之增大，若栅极电压为高电平，而Uce为高，则此时就有过流情况发生，此时与门输出高电平，将过流信号输出，控制电路发出断开IGBT的输入指令，以达到保护IGBT的目的。    (3)检测负载电流进行保护。此方法与图3-15(b)中的检测方法基本相同，但图3-15 (b)属直接法，此属间接法，如图3-15 (d)所示。若负载短路或负载电流加大时，也可能使前级的IGBT的集电极电流增大，导致IGBT损坏。由负载处（或IGBT的后一级电路）检测到异常后，控制电路发出断开IGBT的输入指令，以达到保护IGBT的目的。
    图3-15    集电极过流保护电路    (a)用电阻检测过流；(b)用电流互感器检测过流；    (c)由UcE(sat)检测过流；(d)通过负载电流检测过流