1 短路保護(hù)的工作原理

　　圖1(a)所示為工作在PWM整流狀態(tài)的H型橋式PWM變換電路(此圖為正弦波正半波輸入下的等效電路，上半橋的兩只IGBT未畫出)，圖1(b)為下半橋兩只大功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和相關(guān)的器件波形�，F(xiàn)以正半波工作過(guò)程為例進(jìn)行分析(對(duì)于三相PWM電路，在整流、逆變工作狀態(tài)或單相DC/DC工作狀態(tài)下，PWM電路的分析過(guò)程及結(jié)論基本類似)。

　　在圖1所示的電路中，在市電電源Us的正半周期，將Ug2.4所示的高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)加在下半橋兩只IGBT的柵極上，得到管壓降波形UT2D。其工作過(guò)程分析如下：在t1～t2時(shí)刻，受驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用，T2、T4導(dǎo)通(實(shí)際上是T2導(dǎo)通， T4處于續(xù)流狀態(tài))，在Us的作用下通過(guò)電感LS的電流增加，在T2管上形成如圖1(b)中UT2D所示的按指數(shù)規(guī)律上升的管壓降波形，該管壓降是通態(tài)電流在IGBT導(dǎo)通時(shí)的體電阻上產(chǎn)生的壓降;在t2～t3時(shí)刻，T2、T4關(guān)斷，由于電感LS中有儲(chǔ)能，因此在電感LS的作用下，二極管D2、D4續(xù)流，形成圖1(b)中UT2.D的陰影部分所示的管壓降波形，以此類推。分析表明，為了能夠檢測(cè)到IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降的值，應(yīng)該將在t1～t2時(shí)刻IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降保留，而將在t2～t3時(shí)刻檢測(cè)到的IGBT的管壓降的值剔除，即將圖1(b)中UT2.D的陰影部分所示的管壓降波形剔除。由于IGBT的開關(guān)頻率比較高，而且存在較大的開關(guān)噪聲，因此在設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)應(yīng)給予足夠的考慮。

　　根據(jù)以上的分析可知，在正常情況下，IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降Uce(sat)的值都比較低，通常都小于器件手冊(cè)給出的數(shù)據(jù)Uce(sat)的額定值。但是，如果H型橋式變換電路發(fā)生故障(如同一側(cè)橋臂上的上下兩只IGBT同時(shí)導(dǎo)通的 “直通”現(xiàn)象)，則這時(shí)在下管IGBT的C～E極兩端將會(huì)產(chǎn)生比正常值大很多的管電壓。若能將此故障時(shí)的管壓降值快速地檢測(cè)出來(lái)，就可以作為對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)的依據(jù)，從而對(duì)IGBT實(shí)施有效的保護(hù)。

　　2 短路保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　由對(duì)圖1所示電路的分析，可以得到IGBT短路保護(hù)電路的原理電路圖。IC4及其外圍器件構(gòu)成選通邏輯電路，由IC5及其外圍器件構(gòu)成濾波及放大電路，IC2及其外圍器件構(gòu)成門限比較電路，IC1及其外圍器件構(gòu)成保持電路。正常情況下，D1、D2、D3的陰極所連接的IC2D、IC2C及CD4011的輸出均為高電平，IC1的輸出狀態(tài)不會(huì)改變。假設(shè)由于某種原因，在給T2發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)候，H型橋式PWM變換電路的左半橋下管T2的管壓降異常升高(設(shè)電平值為“高”)，即UT2-d端電壓異常升高，則該高電平UT2-d通過(guò)R2加在D8的陰極;同時(shí)，發(fā)給T2的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)也加在二極管D5的陰極。對(duì)IC2C來(lái)說(shuō)，其反相輸入端為高電平，若該電平值大于同相輸入端的門檻電平值的話，則IC2C輸出為“低”。該“低”電平通過(guò)D2加在R-S觸發(fā)器IC1的R輸入端，使其輸出端Q的輸出電平翻轉(zhuǎn)，向控制系統(tǒng)發(fā)出IGBT故障報(bào)警信號(hào)。如果是由于右半橋下管T4的管壓降異常升高而引起IC2D輸出為“低”，則該“低”電平通過(guò)D5加在R-S觸發(fā)器IC1的R輸入端，使其輸出端Q的輸出電平翻轉(zhuǎn)，向控制系統(tǒng)發(fā)出IGBT故障報(bào)警信號(hào)。由IC5A和IC5C及其外圍器件構(gòu)成的濾波及放大電路將選通電路送來(lái)的描述IGBT管壓降的電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，送給由IC5B構(gòu)成的加法器進(jìn)行運(yùn)算處理。若加法器的輸出電平大于由R22和R32確定的門檻電平，則會(huì)使R-S觸發(fā)器IC1的R端的第三個(gè)輸入端為“低”，也向控制系統(tǒng)發(fā)出IGBT故障報(bào)警信號(hào)。改變由R22和R32確定的門檻電平，就可以靈活地改變這第三路報(bào)警信號(hào)所代表的物理意義，從而靈活地設(shè)計(jì)保護(hù)電路。端子T4-d、T2-d，分別接在T4、T2的集電極上，T4-G、T2-G分別接IGBT器件T4、T2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意的是，D8、D5、D9、D4必須采用快速恢復(fù)二極管。

　　3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　當(dāng)圖1所示的PWM變換器工作在單相高頻整流模式下，應(yīng)用PSPICE仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真研究。仿真波形相當(dāng)于在電路中IC5B的第7腳觀察到的信號(hào)波形。仿真結(jié)果表明，檢測(cè)電路可以快速、有效地將PWM變換器的下管導(dǎo)通時(shí)的管壓降檢測(cè)出來(lái)。圖3所示波形是實(shí)際電路工作時(shí)檢測(cè)到的相關(guān)波形。圖中，1#通道顯示的是單相高頻整流電感電流的給定波形，2#通道顯示的是實(shí)際檢測(cè)到電路中IC5B的第7腳的工作波形。比較圖2和圖3可以得出，該檢測(cè)電路可以快速、有效地檢測(cè)出IGBT導(dǎo)通時(shí)的管壓降，從而對(duì)IGBT實(shí)施有效的保護(hù)。

　　圖4所示為IGBT過(guò)流時(shí)實(shí)際檢測(cè)到的PFC電感中流過(guò)的電流及保護(hù)電路動(dòng)作的波形。

　　電路實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，本文介紹的IGBT短路保護(hù)電路可以有效地對(duì)IGBT實(shí)施保護(hù)，成本低，動(dòng)作可靠。實(shí)踐證明，該電路有比較大的實(shí)用價(jià)值，尤其是在低直流母線電壓的應(yīng)用場(chǎng)合，該電路有廣闊的應(yīng)用前景。該電路已經(jīng)成功地應(yīng)用在某型3KVA高頻逆變器中。