引言

隨著(zhù)電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展，高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)因其具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)損耗低及工作頻率高等特點(diǎn)，而越來(lái)越多地應用到工作頻率為幾十kHz以下，輸出功率從幾kW到幾百kW的各類(lèi)電力變換裝置中。IGBT逆變器中最重要的環(huán)節就是高性能的過(guò)流保護電路的設計。專(zhuān)用驅動(dòng)模塊都帶有過(guò)流保護功能。一些分立的驅動(dòng)電路也帶有過(guò)電流保護功能。在工業(yè)應用中，一般都是利用這些瞬時(shí)過(guò)電流保護信號，通過(guò)觸發(fā)器時(shí)序邏輯電路的記憶功能，構成記憶鎖定保護電路，以避免保護電路在過(guò)流時(shí)的頻繁動(dòng)作，實(shí)現可取的過(guò)流保護。本文分析了大功率可控整流電壓型逆變器中封鎖驅動(dòng)及整流拉逆變式雙重保護電路結構。

IGBT失效原因和保護方法

IGBT失效原因分析

引起IGBT失效的原因有：

1)過(guò)熱損壞集電極電流過(guò)大引起的瞬時(shí)過(guò)熱及其它原因，如散熱不良導致的持續過(guò)熱均會(huì )使IGBT損壞。如果器件持續短路，大電流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過(guò)硅本征溫度(約250℃)，器件將失去阻斷能力，柵極控制就無(wú)法保護，從而導致IGBT失效[1]。實(shí)際運行時(shí)，一般最高允許的工作溫度為130℃左右。

2)超出關(guān)斷安全工作區引起擎住效應而損壞擎住效應分靜態(tài)擎住效應和動(dòng)態(tài)擎住效應。IGBT為PNPN4層結構，其等效電路如圖1所示。體內存在一個(gè)寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區擴展電阻Rs，P型體內的橫向空穴電流在Rs上會(huì )產(chǎn)生一定的電壓降，對NPN基極來(lái)說(shuō)，相當于一個(gè)正向偏置電壓。在規定的集電極電流范圍內，這個(gè)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一定程度時(shí)，該正向電壓足以使NPN晶體管開(kāi)通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是，寄生晶閘管導通，門(mén)極失去控制作用，形成自鎖現象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效應。IGBT發(fā)生擎住效應后，集電極電流增大，產(chǎn)生過(guò)高功耗，導致器件失效。動(dòng)態(tài)擎住效應主要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快，dvCE/dt很大，引起較大位移電流，流過(guò)Rs，產(chǎn)生足以使NPN晶體管開(kāi)通的正向偏置電壓，造成寄生晶閘管自鎖[2]。

3)瞬態(tài)過(guò)電流IGBT在運行過(guò)程中所承受的大幅值過(guò)電流除短路、直通等故障外，還有續流二極管的反向恢復電流、緩沖電容器的放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬態(tài)過(guò)電流雖然持續時(shí)間較短，但如果不采取措施，將增加IGBT的負擔，也可能會(huì )導致IGBT失效。

4)過(guò)電壓造成集電極 發(fā)射極擊穿。

5)過(guò)電壓造成柵極 發(fā)射極擊穿。整流拉逆變式組合保護方案

IGBT保護方法

當過(guò)流情況出現時(shí)，IGBT必須維持在短路安全工作區(SCSOA)內。IGBT承受短路的時(shí)間與電源電壓、柵極驅動(dòng)電壓以及結溫有密切關(guān)系。為了防止由于短路故障造成IGBT損壞，必須有完善的故障檢測與保護環(huán)節。一般的檢測方法分為電流傳感器和IGBT欠飽和式保護。

1)封鎖驅動(dòng)信號

在逆變電源的負載過(guò)大或輸出短路的情況下，通過(guò)逆變橋輸入直流母線(xiàn)上的電流傳感器進(jìn)行檢測。當檢測電流值超過(guò)設定的閾值時(shí)，保護動(dòng)作封鎖所有橋臂的驅動(dòng)信號。這種保護方法最直接，但吸收電路和箝位電路必須經(jīng)特別設計，使其適用于短路情況。這種方法的缺點(diǎn)是會(huì )造成IGBT關(guān)斷時(shí)承受應力過(guò)大，特別是在關(guān)斷感性超大電流時(shí)，必須注意擎住效應。

2)減小柵壓

IGBT的短路電流和柵壓有密切關(guān)系，柵壓越高，短路時(shí)電流就越大。在短路或瞬態(tài)過(guò)流情況下若能在瞬間將vGS分步減少或斜坡減少，這樣短路電流便會(huì )減小下來(lái)，當IGBT關(guān)斷時(shí)，di/dt也減小。集成驅動(dòng)電路如EXB841或M579xx系列都有檢測vCES電路，當發(fā)現欠飽和時(shí)，柵壓箝位到10V左右，增大vCES，限制過(guò)電流幅值，延長(cháng)允許過(guò)流時(shí)間。短路允許時(shí)間tsc和短路電流Isc同柵極電壓vG的關(guān)系如圖2所示。

整流拉逆變式組合保護方案

3.1逆變部分保護

本設計逆變器為半橋式結構，串聯(lián)諧振負載，驅動(dòng)采用IR公司的IR2110半橋驅動(dòng)芯片。IR2110電路簡(jiǎn)單，成本低，適用于中大功率IGBT，實(shí)驗結果也驗證了IR2110驅動(dòng)中大功率IGBT的可行性。IR2110芯片有一個(gè)封鎖兩路驅動(dòng)的SD輸入端，當此引腳為高電平時(shí)，立刻封鎖兩路輸出，如圖3所示。

電壓型逆變器引起短路故障的原因有：

1)直通短路橋臂中某一個(gè)器件(包括反并二極管)損壞;或由于控制電路，驅動(dòng)電路的故障，以及干擾引起驅動(dòng)電路誤觸發(fā)，造成一個(gè)橋臂中兩個(gè)IGBT同時(shí)開(kāi)通。

2)負載電路短路在某些升壓變壓器輸出場(chǎng)合，副邊短路的情況。

3)逆變器輸出直接短路

圖4給出了保護電路框圖。直通保護電路必須有非�？斓乃俣�，在一般情況下，如果IGBT的額定參數選擇合理，10μs之內的過(guò)流就不會(huì )損壞器件，所以必須在這個(gè)時(shí)間內關(guān)斷IGBT。母線(xiàn)電流檢測用霍爾傳感器，響應速度快，是短路保護檢測的最佳選擇。比較器用LM319，檢測值與設定值比較，一旦超過(guò)，馬上輸出保護信號封鎖驅動(dòng)。同時(shí)用觸發(fā)器構成記憶鎖定保護電路，以避免保護電路在過(guò)流時(shí)的頻繁動(dòng)作。外接的復位電路也不可缺少。

3.2整流部分保護

對于大功率電壓型逆變器，為了改善進(jìn)線(xiàn)電流波形，一般在直流母線(xiàn)上串有濾波電感，如圖5所示。由于電感的存在，當逆變電路一旦停止工作，如果整流電路仍處在整流狀態(tài)，則電感中的能量將向電容釋放，在逆變保護動(dòng)作瞬間電容將承受一個(gè)很高的過(guò)沖電壓，若不采取措施，可能會(huì )直接導致電容過(guò)壓損壞。尤其在負載電流很高，L中儲能很大時(shí)，更加危險。

假設逆變關(guān)斷時(shí)濾波電感中的電流全部從電容C中流過(guò)，同時(shí)整流器繼續輸出電壓Ud。圖6給出了等效電路，L與C串聯(lián)諧振，由于整流橋電流只能單向流通，所以振蕩到T/4時(shí)結束。

可見(jiàn)在諧振到1/4周期時(shí)，電容上的電壓達到最大值，之后諧振停止。

電容上最后電壓與母線(xiàn)電流，電感及電容有關(guān)。在我們試驗用的10kW樣機中，直流母線(xiàn)電壓200V時(shí)讓逆變瞬間在保護信號下關(guān)斷，母線(xiàn)電壓突然上升到近450V。針對此種現象，采用在保護動(dòng)作的同時(shí)將整流電路拉到逆變工作狀態(tài)(觸發(fā)角α拉到約150°)，使濾波電感中的能量大部分回饋到電網(wǎng)。

在實(shí)際應用中，由于驅動(dòng)電路的故障導致上下橋臂IGBT直通的可能性很小。鑒于此，也可以采用單一的整流部分拉逆變的保護方法。對于像負載過(guò)流或短路，都能在IGBT允許的短路電流時(shí)間內將整個(gè)裝置的工作停下來(lái)。這種保護方法并不直接針對IGBT，而是將前級整流輸入關(guān)斷，故障時(shí)IGBT仍處于工作狀態(tài)。這屬于“軟保護”，對IGBT沒(méi)有應力沖擊，同時(shí)也可以避免在大電流下瞬間關(guān)斷可能導致IGBT超出關(guān)斷安全工作區而處于擎住狀態(tài)。

實(shí)驗結果

這種保護方案已成功地應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，用于材料電暈處理。樣機輸出功率約10kW。由于負載是高壓電暈處理器，升壓變壓器內部容易發(fā)生原、副邊擊穿現象。試驗中發(fā)現，不論對于負載短路，變壓器擊穿引起的過(guò)流，還是輸入電壓過(guò)高引起的過(guò)流都能很好地保護逆變器不受損壞。

結論

IGBT是逆變器中最容易損壞的部分，特別是對于電壓型可控整流電路。在對IGBT直通保護時(shí)還要考慮到關(guān)斷逆變器對前級電路的影響。本文所介紹的整流逆變同時(shí)保護的方案可以可靠保護整個(gè)逆變器，并在實(shí)踐中取得了良好的效果。