IGBT的过电压保护及其缓冲电路

谭耀燊+刘新根

文章首先设计出斩波电路缓冲电路的模型，并研究和探讨了它的工作原理及过程，继而分析了该种电路对各元器件参数的要求,将其看作选择参数的根据;与此同时又指出缓冲电路在安装的时候要注意的一些问题；最后给出了IGBT的过电压保护和过流保护的措施。

【关键词】IGBT 缓冲电路 过电压保护

伴随电力及电子科技的迅猛发展,IGBT这种全控型的开关,以它良好的性能在高压大功率的电路中渐渐替代了以往的SCR从而得到十分广泛的运用。因为IGBT开关的速率非常大,很容易在开关二端出现很高的du/dt以及尖峰电压Upk,导致器件受到损害，缩短寿命,使得发生故障的概率大大增加。故而,应在电路内增设缓冲电路。缓冲电路类型的选取应该综合考虑多方面因素确定。一般而言,在低频小功率的时候,电容吸收电路即能够满足性能上的要求,而如果伴随功率的进一步增大,电容将和电路内的寄生电感产生谐振。RCD的运用十分的广泛,其不但可以满足系统要求,还可于某种程度上抑制谐振,而且相对放电阻止型吸收电路而言，其成本相对比较低。

1 缓冲电路的工作原理和参数计算

在以下的分析时设定下述条件：二极管和IGBT都是理想的器件，其通态压降都是零；电容为纯容性，电感为纯感性，其中都没有电阻。

1.1 换流过程

换流前的初始状态分析如下:Vc、VD1、VD2都在截止的状态；电流流经过L1、IGBT构成回路，同时在这个过程内始终为恒值。緩冲电路图见图1。

1.2 谐振阶段

以上的换流阶段完成以后,IGBT已经完全切断,也就是it=0，继而Cs仍然通过电源向其进行充电,二端的电压仍在升高。当达到Ucs=Ud的时候,VD0开始受到正向偏置的电压,达到导通的状态,而il通过VD0续流。继而系统内的杂散电感和电容Cs产生谐振,VDs仍保持导通的状态,电感内的能量都转移到了电容内。

1.3 电容Cs放电

等谐振的过程结束以后,VDs完成截止,Cs则开始利用电源、L1和Rs进行放电。放电初始的时候,Cs二端的电压是:U1=Upk2。等放电完成以后,Cs二端的电压最终稳定为Ud,也就是:U2=Ud。该过程中Cs内的能量损失了,此些能量全都消耗于Rs中,因此,Rs在一个周期中消耗的能量为:WS=WC,它的功率损耗是:PS=WSfW。然而也要注意到,在实际的工作当中,负载亦吸收掉部分能量,故而在一个周期中Rs消耗的能量要比计算的小。而Rs参数的选择,其实并无很特别的要求,只要能够确保:一则Rs功率满足要求,不至在泄放的时候被烧掉；二则在IGBT最小周期中Cs的电流能够泄放到Ud。

1.4 快恢复二极管VDs

在吸收电路内,VDs的额定电压要和被保护的IGBT额定电压差不多大才行,电流的峰值要和IGBT的峰值一样,而因为保护电路作用的时间非常短,一般都取IGBT额定电流的1/20就行。在进行大功率高频工作的时候,在VDs回路内要串接一个阻值比较小的电阻，从而有效的降低VDs的电流损耗。

2 电路布线和吸收电路安装中的注意事项

缓冲电路的安装过程中,要最大限度减少电路内杂散电感的出现频次。而有关母线进线的材质,可选择铜排,如此一来可有效的降低电路的杂散电感,抑或是运用紧缩布线的方法,亦可把吸收电路的回路集成于一块印刷电路板中,从而能够降低回路的杂散电感。

3 IGBT的过压保护

IGBT中产生过压的因素主要包括: 静电聚积于栅极电容上导致过压、电容密勒效应导致的栅极过压。为有效避免IGBT的栅极-发射极过压的出现,可以于IGBT的栅极和发射极间并接一个数十千欧的电阻，该电阻要最大限度的接近栅极和发射极。保护电路主要通过光电耦合器的通断予以控制。当电压正常的时候，光电耦合器基本上没有输出，VT管因被反偏而导致截止。当电路的电压升高的时候，取样电路的次级电压也相应的升高，此时光电耦合器满足工作的条件。光耦输出的电流变大，使得VT管偏置电压随之升高且饱和导通，执行机构继电器动作吸合，切断电源从而实现保护电器的目的。如果故障消除，电压会随之正常，该电路立即停止工作，从而恢复电路的供电。

4 IGBT的过流保护

为有效避免电路过流给IGBT元件造成损坏,就应设过流保护电路, 在出现过流的时候, 及时的检测到过流的情况并切断IGBT。在对驱动电路进行设计的时候要运用集成驱动模块, 以充分运用其保护功能。IGBT 由于饱和压降相对比较低, 会使得短路电流比较大, 因此在发生短路故障的时候, 应运用具备降栅压和软关断功能的保护电路。

5 结语

文章设计了斩波电路内缓冲电路的模型,同时对其工作原理及过程予以探讨研究,还提出缓冲电路在安装的时候要注意的一些问题，并给出了IGBT的过电压保护和过流保护的措施。分析探究的结果可以看出: 科学合理的布线以及驱动电路设计是确保IGBT 电路能够正常可靠的工作的一个重要前提。

参考文献

[1]田健,郭会军等.大功率IGBT瞬态保护研究[J].电力电子技术,2004(04).

[2]赵正毅,魏念荣等.一般缓冲电路的模型及三电平 IGBT变流器内外元件电压不平衡机理[J].中国电机工程学报,2000(06).

[3]华伟.IGBT驱动及短路保护电路M57959研究[J].电力电子技术,1998(01):88-91.

作者单位

1.上海交通大学 上海市 200030

2.杭州银湖电气设备有限公司 浙江省杭州市 310027