大功率igb延迟搜索过电流保护的研究

大功率igb延迟搜索过电流保护的研究

随着全球控制装置igdt（inter-gatebi代理）朝着高电流、高电压、快速切割、易触发等方向的不断发展，它在大规模变流系统中得到了广泛应用。目前,投入市场的有IGBT模块,也有集成了IGBT、系统自保护、自诊断等功能的智能功率模块IPM。但是,IPM功率相对较小,在大功率场合应用受到了限制。对于投入市场的独立集成驱动模块,驱动能力有限,而且由于考虑到通用性,驱动模块的过流保护和时间参数往往调节困难或能调节的参数少,给具体应用带来了不便。所以,对于大功率IGBT的驱动和保护电路进行研究具有一定的实用价值。1双电源驱动电路设计对于大功率IGBT,选择驱动电路应该基于以下的参数要求:器件关断偏置、门极电荷、耐固性和电源情况等。由于双电源驱动方法可使得IGBT稳定工作,性能可靠,所以被大量采用。双电源驱动电路设计时,应考虑驱动电路的正偏电压+Vge、负偏电压-Vge及门极电阻R的影响。表1给出了门极驱动条件与器件特性之间的关系。其中,Vces,ton,toff,Vce分别为集电极-发射极饱和压降、开通时间、关断时间和集电极-发射极电压。↑、-、↓分别表示增加、不变、减少。2保护电路2.1igbt过流的检测检测IGBT饱和压降的“延时搜索过电流保护”是一种比较好的方法。它可迅速检测出IGBT是否过流并采取保护措施。原理如图1、2所示。图1是IGBT饱和压降和集电极电流之间的关系,图2为门极电压和IGBT允许过电流、允许过流持续时间的对应关系。图1和2中,Ic,Ie,Isc分别为IGBT通过的电流,额定电流,短路电流,Vi(i=1,2,5,10)为IGBT通过i倍额定电流时的饱和压降,Vg为IGBT门极电压,tsc为允许过流持续时间,I1和I2是过流时门极电压分别为15V和10V时IGBT通过的电流。从图1看出,当集电极电流增大时,饱和压降增大,二者大体成线性关系。所以,可通过检测饱和压降来判断IGBT是否过流。从图2可知,当降低门极电压时,短路电流会立即减小,因而允许的短路时间增加。此外,由IGBT本身设计特点知,短路时IGBT在10μs内可以承受10倍过电流,但当过电流大于2倍额定电流时,应对IGBT进行慢速关断。2.2缓冲电路不冲压电路对于过压保护应采取的措施为:1)加阻容或其他缓冲电路;2)门极和发射极之间加门极发射极电阻(图3中的R13);3)门极和发射极之间并联反向串联的稳压二极管(图3中的Z4和Z5)。2.3门极电阻的影响目的主要是防止擎住效应,及防止集电极电流连续值超过临界值。采取措施包括:1)断态时加足够的负门极电压(-10V);2)关断时,保证门极电阻较小,图3中当关断时二极管D3使R12和R11并联,减小门极电阻;3)门极发射极电路电感应尽可能小。3adg202控制原理图3为设计的IGBT驱动和保护电路图。图中的正体字为线的标号,其中A,B,Z,C,P连接到模块开关器件ADG202上。P为IGBT开通和关断的控制信号,当P为高时,A和B被模拟开关接通,控制IGBT导通;当P为低电平时,此模拟开关打开,控制IGBT关断。ADG202本身的管脚IN为控制信号的输入端,D和S分别为模拟开关的两端。3.1正常工作原则1饱和压降系统P为高电平时,A和B接通。E点电压为IGBT饱和压降,N2关断,N1导通,A,B点电压为+15V,N4导通。Y点电压约为+15V,通过门极电阻R11使得IGBT导通。2模拟开关放电P为低电平时,A和B断开。A点电压为+15V,B点电压为-15V。模拟开关上的Z和+15V电压断开,N3不导通,C3和C4被二极管反向截止,不会放电。N5导通,加在门极上的-15V电压使得IGBT关断。3.2运行时流量过流保护原则1r4接入电路IGBT过流时,饱和压降增加,D7反向截止,由于Z和+15V相连接,则C3被充电,两端电压逐渐增大。当C3电压高于比较器设定的比较电压时,比较器输出高电平,N2导通,N1截止,R4被接入电路。R4的接入使得A,B电压变为+10V。当IGBT门极电压降低到+10V后,过电流允许时间一般为10μs。此时间也可以根据用户需要进行调节,当R7和C3确定后,通过选择稳压二极管Z3的值可以设定此值。如果在10μs内故障消失,IGBT饱和压降降低,则D7导通,E点电压降低,比较器输出低电平,电路恢复正常工作。如果在10μs内故障未消失,则C3继续充电,当大于稳压二极管Z3的值,使得N3导通,则光耦输出故障信号。同时C4开始通过R10放电,使得X,Y点电压逐渐降低,IGBT被慢速关断。21在关断过程中，信号p降低过流故障时,C点为高电平,从模拟开关可知A和B、+15V和Z点一直被模拟开关接通,所以上面的保护过程可正常进行。4流量保护电路的参数设置1bt饱和压降据图1可知,启动保护电路的过电流应对应一个IGBT饱和压降,所以可通过调节可调电阻P1来设定比较器的比较值。当E点电压,即IGBT饱和压降大于此值时,过流保护电路启动。比较电压设定公式为2gbt饱和压降可通过选择电阻R7和C3电容的值来确定。其中,Vsat为IGBT饱和压降。当t设为1.5μs,Vsat-set2为5V,Vsat为3V时,τ=R7×C3为8.23μs,可取电容C3为1000pF,电阻R7为8.25kΩ。32门极电压值通过流量保护搜索时在过流搜索保护时,门极上的电压设定公式为一般可设为+10V。4搜索时间的确定降低门极电压后的搜索时间(门极电压为+10V时的延迟搜索时间)t2可通过稳压二极管Z3的值Vz3设定。式中:1.4V为光耦压降,0.8V为N3的压降。例如当Vz3为24.24V时,t2为10μs。5内镜电压初始值可通过改变电阻R10来设定。t3由电容C4通过R10的放电速度决定。C4电压初始值为+10V,计算方法参考前面的分析。关断后加在门极上的电压可通过R10,R9的阻值来决定。例如,当要求t3为4μs,关断后加在门极上的电压为-10V时,R10和R9可取为10,30Ω。5igbt过流故障的仿真用PSPICE对电路进行了仿真,图4到图6为正常时仿真结果。其中VP,VA,VB,VE分别表示高电平为+5的控制信号及A,B,E点电压。由图4可以看出,正常工作时,控制信号可控制IGBT导通和关断。导通和关断时,E点电压变化不大,即IGBT导通时,E点电压被饱和压降箝位,当关断时,电压略有上升,不影响过流检测。由图5,6可看出,正常工作时,当IGBT导通,VA略有下降,主要是的导通压降的影响。VB在导通时约为+15V,关断时迅速下降到-15V。由图4到图6可看出,当IGBT不过流时,驱动电路可可靠控制IGBT的导通和关断。图7到图9为过流故障时的仿真结果。可以看出,当在1.000ms时IGBT出现过流时,VA和VB接近+15V,饱和电压VE开始上升。当VE上升到比较器设定的比较电压+5V时,保护电路开始工作,门极电压VY在1.002ms处下降到+10V。此后VE继续上升,延迟约10μs(约1.010ms)时故障仍然存在,则启动慢速关断电路。由图中可看出,在1.010s时门极电压VY开始从+10V下降,在1.014ms时,下降到-10V左右,完成IGBT的慢速关断。实验中,采用三菱公司型号为CM600DY-28H的IGBT。为了进行对比,同时采用三菱公司的驱动模块M57962L集成芯片进行了实验。实验发现当正常工作电流较大时,采用驱动模块M57962L的门极电压波形变差,保护电路动作不灵敏。而依照此原理设计的电路,保护电路参数设置方便,性能可靠。6运行结果和分析所设计的驱动电路