關(guān)于OCP和SCP的差別以及各種保護(hù)方案介紹

通常，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中需要很多不同類(lèi)型的保護(hù)，包括保護(hù)功率晶體管、電機(jī)或系統(tǒng)的任何部件。變頻器的電流保護(hù)是其中至關(guān)重要的一項(xiàng)。它不僅能預(yù)防對(duì)功率晶體管的任何潛在損壞，而且在發(fā)生故障或控制變得不穩(wěn)定時(shí)能預(yù)防電機(jī)消磁。過(guò)流保護(hù)（OCP）和短路保護(hù)（SCP）常?；Q使用，但兩者還是存在差別，我們將在本博文中探討。

OCP和SCP的差別

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，短路保護(hù)是過(guò)電流保護(hù)的一部分。圖1表示不同電流保護(hù)之間的關(guān)系。 接地故障保護(hù)、臂短保護(hù)和相間短保護(hù)都屬于短路保護(hù)。

圖1. 過(guò)流保護(hù)與短路保護(hù)比較

圖2表示不同的短路模式和電流路徑。如圖2（a）所示，當(dāng)電機(jī)繞組短接至電機(jī)殼體（通常接地）時(shí)，或者當(dāng)電機(jī)電纜短接至接地時(shí)，則發(fā)生接地故障。圖2（b）表示橋臂短路，指高側(cè)IGBT和低側(cè)IGBT同時(shí)意外導(dǎo)通并產(chǎn)生極高電流的情況。圖2（c）表示相間短路，當(dāng)不同相間的電機(jī)繞組短路時(shí)發(fā)生。所有三個(gè)示例中，電流幅度因電流路徑（包括IGBT本身的）阻抗而受限。

圖2. 短路電流路徑

如何設(shè)置OCP點(diǎn)？

無(wú)論面對(duì)什么類(lèi)型的過(guò)流情況，如何設(shè)置保護(hù)電流大小都很關(guān)鍵。要解決這一問(wèn)題，首先應(yīng)識(shí)別系統(tǒng)中最脆弱的部件。在大多數(shù)情況下，IGBT將早于續(xù)流二極管受損，因?yàn)椋?dāng)變頻器將功率傳遞至電機(jī)時(shí)，更容易發(fā)生過(guò)流情況。那么，是否應(yīng)該將OCP跳變值設(shè)為IGBT能夠處理的最大電流？ 這取決于系統(tǒng)采用的控制方法。在伏特/赫茲控制中（廣泛用于感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用），啟動(dòng)時(shí)的電流值無(wú)法精確預(yù)測(cè)。另一方面，如果采用磁場(chǎng)定向控制這樣的電流控制方法，則特定應(yīng)用中電機(jī)的最大電流值是眾所周知的。如圖3所示，為此值添加一些裕量將成為OCP觸發(fā)大小的良好參考點(diǎn)。例如，帶FOC的電冰箱使用的永磁電機(jī)，其額定電流為1A rms，但是，在初始啟動(dòng)冷卻期間，可承受120%的過(guò)載達(dá)10分鐘。此情況下，最大峰值電流為1 A rms * 120% * Sqrt（2） = 1.7 A峰值?？紤]電流控制過(guò)沖裕量，可選擇+/- 2 A作為控制中的電流反饋范圍。接著可將2.5 A設(shè)為OCP跳變點(diǎn)。即使在變頻器電路中采用飽和電流為30 A的5 A IGBT，電流跳變點(diǎn)也不需要設(shè)為10 A或更高。高電流跳變點(diǎn)可能造成電機(jī)消磁。如果有固定時(shí)間的過(guò)載能力，可執(zhí)行I2T保護(hù)來(lái)補(bǔ)充OCP。

圖3. OCP點(diǎn)與其它電流大小的關(guān)系

采用哪種保護(hù)方法？

另一方面，SCP側(cè)重于IGBT故障。Fairchild SPM智能功率模塊中的IGBT具備卓越的短路性能，但如果不能在幾微秒內(nèi)安全關(guān)斷，仍可能受損。因此，應(yīng)配置延遲時(shí)間固定在幾微妙的硬件，而非通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。保護(hù)IGBT免受短路損壞的最常見(jiàn)方法是通過(guò)電流檢測(cè)電阻感測(cè)負(fù)直流總線(xiàn)電軌上的電流，如圖4（a）所示，并將壓降前饋至柵極驅(qū)動(dòng)器，以便后者同時(shí)軟關(guān)斷IGBT。在短路條件下關(guān)斷IGBT可能造成過(guò)大電壓尖峰和閉鎖故障。而軟關(guān)斷是克服這些問(wèn)題最為有效的方法。對(duì)于額定功率高于5 Hp的變頻器，電流檢測(cè)電阻的選擇相當(dāng)有限，而Fairchild的SPM 2系列產(chǎn)品采用感測(cè)IGBT，其中配備感測(cè)發(fā)射極引腳，載流僅為實(shí)際發(fā)射極電流的一小部分。三個(gè)感測(cè)發(fā)射極相連，使電流通過(guò)外部電流檢測(cè)電阻，如圖4（b）所示。壓降以相似的方法前饋至柵極驅(qū)動(dòng)IC。

圖4. 使用電流檢測(cè)電阻進(jìn)行短路保護(hù)

這些方法的缺點(diǎn)之一是無(wú)法檢測(cè)接地故障電流，如圖2（a）所示。只要總和不為零，軟件可計(jì)算三相電流并識(shí)別接地故障。但響應(yīng)速度可能不足以預(yù)防IGBT損壞。一個(gè)磁芯、一只正直流母線(xiàn)電軌上的電流檢測(cè)電阻和去飽和保護(hù)也是可選接地保護(hù)方式。Fairchild可提供帶不飽和保護(hù)功能的光電柵極驅(qū)動(dòng)器。配備這些功能的器件有FOD8316、FOD8318和FOD8332等等。

總結(jié)

本文介紹了OCP和SCP的差別以及各種保護(hù)方案。為了滿(mǎn)足應(yīng)用要求，應(yīng)精心選擇合適的保護(hù)方法。