IGBT的過電壓保護及其緩沖電路

譚耀燊+劉新根

文章首先設計出斬波電路緩沖電路的模型，并研究和探討了它的工作原理及過程，繼而分析了該種電路對各元器件參數的要求,將其看作選擇參數的根據;與此同時又指出緩沖電路在安裝的時候要注意的一些問題；最后給出了IGBT的過電壓保護和過流保護的措施。

【關鍵詞】IGBT 緩沖電路 過電壓保護

伴隨電力及電子科技的迅猛發展,IGBT這種全控型的開關,以它良好的性能在高壓大功率的電路中漸漸替代了以往的SCR從而得到十分廣泛的運用。因為IGBT開關的速率非常大,很容易在開關二端出現很高的du/dt以及尖峰電壓Upk,導致器件受到損害，縮短壽命,使得發生故障的概率大大增加。故而,應在電路內增設緩沖電路。緩沖電路類型的選取應該綜合考慮多方面因素確定。一般而言,在低頻小功率的時候,電容吸收電路即能夠滿足性能上的要求,而如果伴隨功率的進一步增大,電容將和電路內的寄生電感產生諧振。RCD的運用十分的廣泛,其不但可以滿足系統要求,還可于某種程度上抑制諧振,而且相對放電阻止型吸收電路而言，其成本相對比較低。

1 緩沖電路的工作原理和參數計算

在以下的分析時設定下述條件：二極管和IGBT都是理想的器件，其通態壓降都是零；電容為純容性，電感為純感性，其中都沒有電阻。

1.1 換流過程

換流前的初始狀態分析如下:Vc、VD1、VD2都在截止的狀態；電流流經過L1、IGBT構成回路，同時在這個過程內始終為恒值。緩沖電路圖見圖1。

1.2 諧振階段

以上的換流階段完成以后,IGBT已經完全切斷,也就是it=0，繼而Cs仍然通過電源向其進行充電,二端的電壓仍在升高。當達到Ucs=Ud的時候,VD0開始受到正向偏置的電壓,達到導通的狀態,而il通過VD0續流。繼而系統內的雜散電感和電容Cs產生諧振,VDs仍保持導通的狀態,電感內的能量都轉移到了電容內。

1.3 電容Cs放電

等諧振的過程結束以后,VDs完成截止,Cs則開始利用電源、L1和Rs進行放電。放電初始的時候,Cs二端的電壓是:U1=Upk2。等放電完成以后,Cs二端的電壓最終穩定為Ud,也就是:U2=Ud。該過程中Cs內的能量損失了,此些能量全都消耗于Rs中,因此,Rs在一個周期中消耗的能量為:WS=WC,它的功率損耗是:PS=WSfW。然而也要注意到,在實際的工作當中,負載亦吸收掉部分能量,故而在一個周期中Rs消耗的能量要比計算的小。而Rs參數的選擇,其實并無很特別的要求,只要能夠確保:一則Rs功率滿足要求,不至在泄放的時候被燒掉；二則在IGBT最小周期中Cs的電流能夠泄放到Ud。

1.4 快恢復二極管VDs

在吸收電路內,VDs的額定電壓要和被保護的IGBT額定電壓差不多大才行,電流的峰值要和IGBT的峰值一樣,而因為保護電路作用的時間非常短,一般都取IGBT額定電流的1/20就行。在進行大功率高頻工作的時候,在VDs回路內要串接一個阻值比較小的電阻，從而有效的降低VDs的電流損耗。

2 電路布線和吸收電路安裝中的注意事項

緩沖電路的安裝過程中,要最大限度減少電路內雜散電感的出現頻次。而有關母線進線的材質,可選擇銅排,如此一來可有效的降低電路的雜散電感,抑或是運用緊縮布線的方法,亦可把吸收電路的回路集成于一塊印刷電路板中,從而能夠降低回路的雜散電感。

3 IGBT的過壓保護

IGBT中產生過壓的因素主要包括: 靜電聚積于柵極電容上導致過壓、電容密勒效應導致的柵極過壓。為有效避免IGBT的柵極-發射極過壓的出現,可以于IGBT的柵極和發射極間并接一個數十千歐的電阻，該電阻要最大限度的接近柵極和發射極。保護電路主要通過光電耦合器的通斷予以控制。當電壓正常的時候，光電耦合器基本上沒有輸出，VT管因被反偏而導致截止。當電路的電壓升高的時候，取樣電路的次級電壓也相應的升高，此時光電耦合器滿足工作的條件。光耦輸出的電流變大，使得VT管偏置電壓隨之升高且飽和導通，執行機構繼電器動作吸合，切斷電源從而實現保護電器的目的。如果故障消除，電壓會隨之正常，該電路立即停止工作，從而恢復電路的供電。

4 IGBT的過流保護

為有效避免電路過流給IGBT元件造成損壞,就應設過流保護電路, 在出現過流的時候, 及時的檢測到過流的情況并切斷IGBT。在對驅動電路進行設計的時候要運用集成驅動模塊, 以充分運用其保護功能。IGBT 由于飽和壓降相對比較低, 會使得短路電流比較大, 因此在發生短路故障的時候, 應運用具備降柵壓和軟關斷功能的保護電路。

5 結語

文章設計了斬波電路內緩沖電路的模型,同時對其工作原理及過程予以探討研究,還提出緩沖電路在安裝的時候要注意的一些問題，并給出了IGBT的過電壓保護和過流保護的措施。分析探究的結果可以看出: 科學合理的布線以及驅動電路設計是確保IGBT 電路能夠正常可靠的工作的一個重要前提。

參考文獻

[1]田健,郭會軍等.大功率IGBT瞬態保護研究[J].電力電子技術,2004(04).

[2]趙正毅,魏念榮等.一般緩沖電路的模型及三電平 IGBT變流器內外元件電壓不平衡機理[J].中國電機工程學報,2000(06).

[3]華偉.IGBT驅動及短路保護電路M57959研究[J].電力電子技術,1998(01):88-91.

作者單位

1.上海交通大學 上海市 200030

2.杭州銀湖電氣設備有限公司 浙江省杭州市 310027