基于矩陣變換器IGBT的集中式過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

摘要：分別針對(duì)矩陣變換器的整流級(jí)和逆變級(jí)IGBT的過(guò)流現(xiàn)象進(jìn)行了討論，提出了一種新的集中式過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方式。該方式可確保IGBT在短路情況下及時(shí)被關(guān)斷，從而安全穩(wěn)定地運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明：新的集中式過(guò)流保護(hù)電路具有經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：矩陣變換器；IGBT；集中式；過(guò)流保護(hù)電路

O 引言
    近年來(lái)，矩陣變換器的優(yōu)越性能日益受到研究者們的重視，因而已成為電力變換器中的研究熱點(diǎn)。IGBT作為矩陣變換器的重要開(kāi)關(guān)器件，是電力電子系統(tǒng)中最具應(yīng)用前景的功率半導(dǎo)體器件之一，其安全穩(wěn)定的工作決定著矩陣變換器的穩(wěn)定運(yùn)行。
    IGBT的保護(hù)電路主要分為過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)電路。本文主要討論IGBT的過(guò)流保護(hù)電路。通常情況下，根據(jù)IGBT手冊(cè)給出的相關(guān)保護(hù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)就足以保證IGBT的可靠運(yùn)行。但是，在矩陣變換器中，由于整流級(jí)和逆變級(jí)的IGBT數(shù)量較多，而對(duì)逐個(gè)IGBT過(guò)流保護(hù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)較為繁瑣，故可以采用集中式過(guò)流保護(hù)電路，以達(dá)到精簡(jiǎn)和優(yōu)化電路的效果。
    另外，由于IGBT能夠承受一定時(shí)間的短路電流，所承受短路電流的時(shí)間與短路電流的大小有關(guān)，短路電流相比IGBT的額定電流越大，IG-BT能承受的時(shí)間也就越短。故在IGBT短路燒毀前，保護(hù)電路必須快速反應(yīng)并對(duì)其關(guān)斷，從而達(dá)到保護(hù)IGBT可靠工作的目的。

l 過(guò)流分析
    IGBT的過(guò)流情況可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是低倍數(shù)(1．2～1．5倍)的過(guò)載電流；另一類(lèi)是高倍數(shù)(高達(dá)8～10倍)的短路電流。
1．1 過(guò)載電流保護(hù)
    原則上，IGBT在過(guò)流時(shí)的開(kāi)關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運(yùn)行時(shí)的特性相比并沒(méi)有什么不同。但由于比較大的負(fù)載電流會(huì)引起IGBT內(nèi)較高的損耗，所以，為了避免超過(guò)最大允許節(jié)溫，IGBT的過(guò)載范圍往往會(huì)受到限制。這不僅是過(guò)載時(shí)節(jié)溫的絕對(duì)值，而且連過(guò)載時(shí)的溫度變化范圍都是限制因素。
1．2 短路電流保護(hù)
    IGBT能承受短路電流的時(shí)間很短，且能承受短路電流的時(shí)間與該IGBT的導(dǎo)通飽和壓降有關(guān)，它隨著飽和導(dǎo)通壓降的增加而延長(zhǎng)。存在以上關(guān)系的原因是由于隨著導(dǎo)通飽和壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時(shí)增大，短路時(shí)的功耗隨著電流的平方增大，從而造成承受短路的時(shí)間迅速縮短。
    原則上，IGBT都是安全短路器件。換句話(huà)說(shuō)，它們?cè)谝欢ǖ耐獠織l件下可以承受短路電流，然后被關(guān)斷，而器件不會(huì)發(fā)生損壞。

2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)
    本文所設(shè)計(jì)的集中式過(guò)流保護(hù)電路主要針對(duì)矩陣變換器的IGBT。本矩陣變換器的整流級(jí)和逆變級(jí)選取的IGBT型號(hào)分別是三菱公司的CT6-0AM20和富士公司的1MBH60D一090A。由于在整流級(jí)和逆變級(jí)IGBT承受的電壓和電流有差別，故要選擇相應(yīng)的IGBT來(lái)確保矩陣變換器正常穩(wěn)定的運(yùn)行。整流級(jí)的驅(qū)動(dòng)芯片選擇的是落木源公司的TX—KA962。TX—KA962芯片相對(duì)于三菱公司的M57962芯片來(lái)說(shuō)，其具有死區(qū)時(shí)間、軟關(guān)
斷速度、故障后再次啟動(dòng)時(shí)間可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

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    圖1所示是矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是一個(gè)18開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它需要18個(gè)IGBT和18個(gè)二極管。在整流級(jí)的三個(gè)橋臂上，每個(gè)橋臂都由2個(gè)雙向開(kāi)關(guān)、4個(gè)IGBT和4個(gè)二極管構(gòu)成。因此，集中式過(guò)流檢測(cè)就只能在整流級(jí)的輸入進(jìn)行，那里為交流信號(hào)，可以通過(guò)以下電路進(jìn)行檢測(cè)。然而，在逆變級(jí)，每個(gè)橋臂由2個(gè)IGBT和2個(gè)二極管構(gòu)成，其集中式過(guò)流保護(hù)監(jiān)測(cè)也設(shè)置在輸入環(huán)節(jié)，即在輸入直流母線(xiàn)上進(jìn)行檢測(cè)。

    在逆變級(jí)中，集中式過(guò)流保護(hù)電路的任務(wù)是檢測(cè)輸入直流母線(xiàn)上的電流。而不必對(duì)每個(gè)IGBT分別進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)保護(hù)。當(dāng)該電流值超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)將封鎖整個(gè)逆變級(jí)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖2所示為集中式過(guò)流保護(hù)電路的原理圖。該電路將電流檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在直流輸入側(cè)，檢測(cè)元件采用日本HINODE公司的直測(cè)式霍爾效應(yīng)電流傳感器HAP8—200／4，可檢測(cè)直流側(cè)電壓的瞬時(shí)值。HAP8—200／4需要±15V的供電電源，額定電流為+_200 A，飽和電流在450 A以上，額定輸出電壓為±4 V，di／dt響應(yīng)時(shí)間在10μs以下。在正常情況下，集中式過(guò)電流保護(hù)電路的輸出(0C)為高電平。而一旦直流母線(xiàn)的電流超過(guò)設(shè)定的閾值，比較器的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后?jīng)過(guò)R2、C2的延遲，0C將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個(gè)低電平信號(hào)將使封鎖電路有效，以封鎖整流級(jí)橋臂的所有IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由R2、C2組成的延遲電路可防止封鎖電路誤操作，該延遲電路也采用了抗干擾措施。

    在整流級(jí)，集中式電流保護(hù)電路的任務(wù)是檢測(cè)輸入電流，而不必對(duì)每個(gè)橋臂上的IGBT進(jìn)行分別檢測(cè)。圖3所示為整流級(jí)集中式過(guò)流保護(hù)電路原理圖。整流級(jí)檢測(cè)點(diǎn)可設(shè)置在三項(xiàng)輸入端。由于矩陣變換器的輸入信號(hào)為三相對(duì)稱(chēng)正弦信號(hào)。這與逆變級(jí)檢測(cè)點(diǎn)的直流母線(xiàn)信號(hào)有所不同，故需要采用另一種保護(hù)電路。檢測(cè)元件可采用英國(guó)ISOTEK公司的精確電流感應(yīng)電阻SMV。該感應(yīng)電阻SMV的阻值可選擇1 mΩ，溫漂小于30 ppm／℃，功率小于3W，測(cè)量電壓范圍為交流1000 V，工作溫度范圍為-55～+140℃。正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)精確電流感應(yīng)電阻檢測(cè)后，再經(jīng)過(guò)整流橋變化成直流信號(hào)，便可進(jìn)行光耦放大并與設(shè)定的閾值電壓進(jìn)行比較。在正常情況下，集中式過(guò)流保護(hù)電路的輸出信號(hào)OC為高電平，而一旦整流級(jí)發(fā)生短路，例如當(dāng)三相輸入信號(hào)中任意兩相發(fā)生短路，則輸入端的電流值將會(huì)超過(guò)設(shè)定的閾值，此時(shí)比較器的輸出狀態(tài)將由高電平變?yōu)榈碗娖?，再?jīng)過(guò)R2、C2的延遲，OC將由高電平變?yōu)榈碗娖?。這個(gè)低電平信號(hào)將使封鎖電路有效，以封鎖整流級(jí)橋臂的所有IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)使其關(guān)斷。R2、C2組成的延遲電路可防止封鎖電路誤操作。
    矩陣變換器整流級(jí)和逆變級(jí)的集中式過(guò)流保護(hù)電路的輸出信號(hào)OC在正常情況下為高電平，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，0C由高電平變?yōu)榈碗娖讲鬏斀o控制器，從而關(guān)斷整流級(jí)或是逆變級(jí)的IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。之后，在等一段時(shí)間后，系統(tǒng)復(fù)位并重新給IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    圖4所示是為檢測(cè)集中式過(guò)流保護(hù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路。

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    為了保證電流的上升速率，直流母線(xiàn)均采用銅排進(jìn)行連接。實(shí)驗(yàn)電路連接完成后，首先在整流級(jí)進(jìn)行過(guò)流實(shí)驗(yàn)，輸入a、b、c為三相對(duì)稱(chēng)正弦信號(hào)，當(dāng)其中兩相短路時(shí)，S1和S2同時(shí)關(guān)斷，并給Sl和S2一個(gè)相同的觸發(fā)脈沖信號(hào)，如圖5中的A曲線(xiàn)所示，該脈沖可使其同時(shí)導(dǎo)通，并導(dǎo)致ab兩相短路，從而使整流級(jí)的集中式過(guò)流保護(hù)電路的檢測(cè)電流超過(guò)參考電流而發(fā)出信號(hào)，最終關(guān)斷整流級(jí)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。之后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，系統(tǒng)復(fù)位，整流級(jí)繼續(xù)運(yùn)行。

    逆變級(jí)過(guò)流實(shí)驗(yàn)的輸入為直流母線(xiàn)上的信號(hào)。當(dāng)一個(gè)橋臂出現(xiàn)直通(例如K1和K2關(guān)斷)，逆變級(jí)集中式過(guò)流保護(hù)電路就會(huì)檢測(cè)到直流母線(xiàn)信號(hào)超過(guò)參考值，從而被激活，關(guān)斷逆變級(jí)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，系統(tǒng)復(fù)位，逆變級(jí)繼續(xù)運(yùn)行。復(fù)位時(shí)間的長(zhǎng)短與控制器收到0C信號(hào)后設(shè)定復(fù)位時(shí)間的大小有關(guān)。圖6所示為逆變級(jí)過(guò)流保護(hù)的波形。由于給定的觸發(fā)脈沖信號(hào)只有十幾微秒，故能防止IGBT在短路電流情況下，集中式過(guò)流保護(hù)電路發(fā)生故障而燒毀。

    由實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)可以看出，在發(fā)生短路時(shí)，短路電流上升，檢測(cè)過(guò)流保護(hù)電路被激活。但在關(guān)斷IGBT之前，短路電流仍會(huì)繼續(xù)上升，這段時(shí)間與檢測(cè)電路的器件響應(yīng)時(shí)間和集中式過(guò)流保護(hù)電路中的C2、R2的設(shè)定有關(guān)。為了防止誤操作和響應(yīng)快速，C2、R2的取值不能太大，也不能太小，通?？扇2=100 pF，R2=10 kΩ。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文根據(jù)矩陣變換器的整流級(jí)和逆變級(jí)分別設(shè)計(jì)了基于矩陣變換器IGBT的集中式過(guò)流保護(hù)電路，并將其檢測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置在整流級(jí)的三相輸入端和逆變級(jí)的直流輸入母線(xiàn)上。該電路能檢測(cè)集中式過(guò)載電流和短路電流，能保護(hù)IGBT的安全，并可節(jié)約電路的設(shè)計(jì)成本與驅(qū)動(dòng)電路板的面積。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，充分證明了該集中式過(guò)流保護(hù)電路的有效性和經(jīng)濟(jì)性。