采用Uce监测技术实现IGBT短路保护电路的设计及应用分析
固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。对电子设备而言，电源是其核心部件。负载除要求电源能供应高质量的输出电压外，还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。
igbt 是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，开关频率高，广泛应用于各类固态电源中。但如果控制不当，它很容易损坏。一般认为 igbt 损坏的主要原因有两种：一是 igbt 退出饱和区而进入了放大区使得开关损耗增大;二是 igbt 发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使 igbt 损坏。igbt 的保护通常采用快速自保护的办法即当故障发生时，关断 igbt 驱动电路，在驱动电路中实现退饱和保护;或者当发生短路时，快速地关断 igbt。根据监测对象的不同 igbt 的短路保护可分为 uge 监测法或 uce 监测法二者原理基本相似，都是利用集电极电流 ic 升高时 uge 或 uce 也会升高这一现象。当 uge 或 uce 超过 uge sat 或 uce sat 时，就自动关断 igbt 的驱动电路。由于 uge 在发生故障时基本不变，而 uce 的变化较大，并且当退饱和发生时 uge 变化也小难以掌握，因而在实践中一般采用 uce 监测技术来对 igbt 进行保护。本文研究的 igbt 保护电路，是通过对 igbt 导通时的管压降 uce 进行监测来实现对 igbt 的保护。
采用本文介绍的 igbt 短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。
1 、短路保护的工作原理
图 1（a）所示为工作在 pwm 整流状态的 h 型桥式 pwm 变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只 igbt 未画出），图 1（b）为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相 pwm 电路，在整流、逆变工作状态或单相 dc/dc 工作状态下，pwm 电路的分析过程及结论基本类似）。
在图 1 所示的电路中，在市电电源 us 的正半周期，将 ug2.4 所示的高频驱动信号加在下半桥两只 igbt 的栅极上，得到管压降波形 ut2d。其工作过程分析如下：在 t1～t2 时刻，受驱动信号的作用，t2、t4 导通（实际上是 t2 导通， t4 处于续流状态），在 us 的作用下通过电感 ls 的电流增加，在 t2 管上形成如图 1（b）中 ut2d 所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在 igbt 导通时的体电阻上产生的压降;在 t2～t3 时刻，t2、t4 关断，由于电感 ls 中有储能，因此在电感 ls 的作用下，二极管 d2、d4 续流，形成图 1（b）中 ut2.d 的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到 igbt 导通时的管压降的值，应该将在 t1～t2 时刻 igbt 导通时的管压降保留，而将在 t2～t3 时刻检测到的 igbt 的管压降的值剔除，即将图 1（b）中 ut2.d 的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于 igbt 的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。
根据以上的分析可知，在正常情况下，igbt 导通时的管压降 uce（sat）的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据 uce（sat）的额定值。但是，如果 h 型桥式变换电路发生故障（如同一侧桥臂上的上下两只 igbt 同时导通的 “直通”现象），则这时在下管 igbt 的 c～e 极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对 igbt 进行保护的依据，从而对 igbt 实施有效的保护。
2 、短路保护电路的设计
由对图 1 所示电路的分析，可以得到 igbt 短路保护电路的原理电路图。ic4 及其外围器件构成选通逻辑电路，由 ic5 及其外围器件构成滤波及放大电路，ic2 及其外围器件构成门限比较电路，ic1 及其外围器件构成保持电路。正常情况下，d1、d2、d3 的阴极所连接的 ic2d、ic2c 及 cd4011 的输出均为高电平，ic1 的输出状态不会改变。假设由于某种原因，在给 t2 发驱动信号的时候，h 型桥式 pwm 变换电路的左半桥下管 t2 的管压降异常升高（设电平值为“高”），即 ut2-d 端电压异常升高，则该高电平 ut2-d 通过 r2 加在 d8 的阴极;同时，发给 t2 的高电平驱动信号也加在二极管 d5 的阴极。对 ic2c 来说，其反相输入端为高电平，若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话，则 ic2c 输出为“低”。该“低”电平通过 d2 加在 r-s 触发器 ic1 的 r 输入端，使其输出端 q 的输出电平翻转，向控制系统发出 igbt 故障报警信号。如果是由于右半桥下管 t4 的管压降异常升高而引起 ic2d 输出为“低”，则该“低”电平通过 d5 加在 r-s 触发器 ic1 的 r 输入端，使其输出端 q 的输出电平翻转，向控制系统发出 igbt 故障报警信号。由 ic5a 和 ic5c 及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述 igbt 管压降的电压信号进行预处理后，送给由 ic5b 构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由 r22 和 r32 确定的门槛电平，则会使 r-s 触发器 ic1 的 r 端的第三个输入端为“低”，也向控制系统发出 igbt 故障报警信号。改变由 r22 和 r32 确定的门槛电平，就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义，从而灵活地设计保护电路。端子 t4-d、t2-d，分别接在 t4、t2 的集电极上，t4-g、t2-g 分别接 igbt 器件 t4、t2 的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是，d8、d5、d9、d4 必须采用快速恢复二极管。
3、仿真及实验结果
当图 1 所示的 pwm 变换器工作在单相高频整流模式下，应用 pspice 仿真软件对电路进行仿真研究。仿真波形相当于在电路中 ic5b 的第 7 脚观察到的信号波形。仿真结果表明，检测电路可以快速、有效地将 pwm 变换器的下管导通时的管压降检测出来。图 3 所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中，1#通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形，2#通道显示的是实际检测到电路中 ic5b 的第 7 脚的工作波形。比较图 2 和图 3 可以得出，该检测电路可以快速、有效地检测出 igbt 导通时的管压降，从而对 igbt 实施有效的保护。
图 4 所示为 igbt 过流时实际检测到的 pfc 电感中流过的电流及保护电路动作的波形。
电路实际运行结果证明，本文介绍的 igbt 短路保护电路可以有效地对 igbt 实施保护，成本低，动作可靠。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型 3kva 高频逆变器中。
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