【導(dǎo)讀】開關(guān)電源同其它電子裝置一樣,短路是最嚴重的故障,短路保護是否可靠,是影響開關(guān)電源可靠性的重要因素。而大功率的開關(guān)電源大多都是用的IGBT這種電力電子開關(guān)元器件,要防止整個開關(guān)電源的的短路,那就要在IGBT短路保護安全的情況下保證開關(guān)電源的正常運作。
IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)兼有場效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大及管壓降低的特點,是目前中、大功率開關(guān)電源最普遍使用的電力電子開關(guān)器件。 IGBT能夠承受的短路時間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小,一般僅為幾μs至幾十μs。短路電流過大不僅使短路承受時間縮短,而且使關(guān)斷時電流下降率 過大,由于漏感及引線電感的存在,導(dǎo)致IGBT集電極過電壓,該過電壓可使IGBT鎖定失效,同時高的過電壓會使IGBT擊穿。因此,當出現(xiàn)短路過流時,必須采取有效的保護措施。
為了實現(xiàn)IGBT的短路保護,則必須進行過流檢測。適用IGBT過流檢測的方法,通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測IGBT的電流Ic,然后與設(shè)定的閾值比較,用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷;或者采用間接電壓法,檢測過流時IGBT的電壓降Vce,因為管壓降含有短路電流信息,過流時Vce增大,且基本上為線性關(guān)系,檢測過流時的Vce并與設(shè)定的閾值進行比較,比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷。
在短路電流出現(xiàn)時,為了避免關(guān)斷電流的 過大形成過電壓,導(dǎo)致IGBT鎖定無效和損壞,以及為了降低電磁干擾,通常采用軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)。
在設(shè)計降柵壓保護電路時,要正確選擇降柵壓幅度和速度,如果降柵壓幅度大(比如7。5V),降柵壓速度不要太快,一般可采用2μs下降時間的軟降柵壓,由于降柵壓幅度大,集電極電流已經(jīng)較小,在故障狀態(tài)封鎖柵極可快些,不必采用軟關(guān)斷;如果降柵壓幅度較?。ū热?V以下),降柵速度可快些,而封鎖柵壓的速度必須慢,即采用軟關(guān)斷,以避免過電壓發(fā)生。
為了使電源在短路故障狀態(tài)不中斷工作,又能避免在原工作頻率下連續(xù)進行短路保護產(chǎn)生熱積累而造成IGBT損壞,采用降柵壓保護即可不必在一次短路保護立即封鎖電路,而使工作頻率降低(比如1Hz左右),形成間歇“打嗝”的保護方法,故障消除后即恢復(fù)正常工作。
下面是幾種IGBT短路保護的實用電路及工作原理。
(1)利用IGBT的Vce設(shè)計過流保護電路
圖1是利用IGBT過流時Vce增大的原理進行保護的電路,用于專用驅(qū)動器EXB841。EXB841內(nèi)部電路能很好地完成降柵及軟關(guān)斷,并具有內(nèi)部延遲功能,以消除干擾產(chǎn)生的誤動作。含有IGBT過流信息的Vce不直接送至EXB841的集電極電壓監(jiān)視腳6,而是經(jīng)快速恢復(fù)二極管VD1,通過比較器IC1輸出接至EXB841的腳6,其目的是為了消除VD1正向壓降隨電流不同而異,采用閾值比較器,提高電流檢測的準確性。如果發(fā)生過流,驅(qū)動器EXB841的低速切斷電路慢速關(guān)斷IGBT,以避免集電極電流尖峰。
(2) 利用電流傳感器設(shè)計過流保護電路
圖2(a)是利用電流傳感器進行過流檢測的IGBT保護電路,電流傳感器(SC)初級(1匝)串接在IGBT的集電極電路中,次級感應(yīng)的過流信號經(jīng)整流后送至比較器IC1的同相輸入端,與反相端的基準電壓進行比較,IC1的輸出送至具有正反饋的比較器IC2,其輸出接至PWM控制器UC3525的輸出控制腳10。不過流時,VAVref,VB為高電平,C3充電使VC>Vref,IC2輸出高電平(大于1.4V),關(guān)閉PWM控制電路。因無驅(qū)動信號,IGBT關(guān)閉,而電源停止工作,電流傳感器無電流流過,使VA參數(shù),使PWM驅(qū)動信號關(guān)閉時間t2>>t1,可保證電源進入睡眠狀態(tài)。正反饋電阻R7保證IC2只有高、低電平兩種狀態(tài),D5,R1,C3充放電電路,保證IC2輸出不致在高、低電平之間頻繁變化,即IGBT不致頻繁開通、關(guān)斷而損壞。
(3) 綜合過流保護電路
圖3是利用IGBT(V1)過流集電極電壓檢測和電流傳感器檢測的綜合保護電路,電路工作原理是:負載短路(或IGBT因其它故障過流)時,V1的Vce增大,V3門極驅(qū)動電流經(jīng)R2,R3分壓器使V3導(dǎo)通,IGBT柵極電壓由VD3所限制而降壓,限制IGBT峰值電流幅度,同時經(jīng)R5C3延遲使V2導(dǎo)通,送去軟關(guān)斷信號。另一方面,在短路時經(jīng)電流傳感器檢測短路電流,經(jīng)比較器IC1輸出的高電平使V3導(dǎo)通進行降柵壓,V2導(dǎo)通進行軟關(guān)斷。
此外,還可以應(yīng)用檢測IGBT集電極電壓的過流保護原理,采用軟降柵壓、軟關(guān)斷及降低工作頻率保護技術(shù)的短路保護電路]。開關(guān)電源保護功能雖屬電源裝置電氣性能要求的附加功能,但在惡劣環(huán)境及意外事故條件下,保護電路是否完善并按預(yù)定設(shè)置工作,對電源裝置的安全性和可靠性至關(guān)重要。驗收技術(shù)指標時,應(yīng)對保護功能進行驗證。
開關(guān)電源的保護方案和電路結(jié)構(gòu)具有多樣性,但對具體電源裝置而言,應(yīng)選擇合理的保護方案和電路結(jié)構(gòu),以使得在故障條件下真正有效地實現(xiàn)保護。