IGBT的短路保护和过流保护机制详解

IGBT的短路保护和过流保护机制详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_41600018/article/details/120249858

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）在电力电子系统中扮演着重要角色，其保护机制直接关系到系统的稳定性和安全性。本文将详细介绍IGBT的短路保护和过流保护原理，帮助读者理解这两种保护机制的工作方式和实现方法。

IGBT保护概述

在讨论IGBT保护时，主要关注驱动电路和驱动芯片能实现的保护功能。常见的保护类型包括：

1. Vce过压保护
2. Vge过压保护
3. 短路保护
4. 过高的di/dt保护

本文重点介绍短路保护和过流保护。

短路保护

短路定义

• 一类短路（桥臂内短路）：直通短路
• 二类短路（桥臂间短路）：大电感短路，可通过霍尔检测和电流变化率来判定

短路电流数学模型

IGBT发生短路时，短路电流遵循线性方程，与母线电压、回路电感量和时间相关。在实际应用中，母线电压通常保持在额定值，因此短路回路中的电感量成为影响短路电流的主要因素。

短路保护原理

短路保护，也称为desat保护（退饱和保护），其工作原理如下：

1. 当IGBT关断时，T1导通，电流源1被T1旁路，Ca的点位被钳位到低位，比较器不翻转。
2. 当IGBT进入开通过程中，T1截止，IGBT进入饱和导通，电流源1流过Rm，Dm及IGBT形成回路，比较器不翻转。
3. 当IGBT出现短路时，会退出饱和区，Vce快速上升直至母线电压，Dm马上截止，电流源1则向 Ca充电，Ca的点位线性上升，达到门槛时比较器翻转。

在短路情况下，电流会迅速上升至额定电流的4倍以上。为防止高电压尖峰损坏IGBT，需要引入有源钳位电路来吸收这些高电压尖峰。

过流保护

过流保护与短路保护的主要区别在于回路电感量。当回路电感较大时，电流上升缓慢，IGBT不会发生退饱和现象。因此，过流保护主要依赖电流传感器来感知电流的绝对值。

过流保护方法

1. 电流传感器检测：采用闭环霍尔电流传感器进行采样，但受限于传感器的频带宽度和控制采样电路的延迟，实时性可能不足。
2. di/dt检测：基于IGBT功率级和驱动级之间的寄生电感来判断电流大小，但电感参数不易测量。
3. Vce饱和压降检测：可利用IGBT驱动芯片的去饱和Desat检测功能。

过流保护电路原理

下图展示了一个基于电压基准源TL431和电压比较器LM2903的过流保护电路。通过调整R1和R2的阻值，可以在D5的2脚端获得所需的阈值电压Vth。

• IGBT正常工作时，D5的3脚端电压低于Vth，比较器输出低电平，DESAT端电压被钳位在约0V。
• 当IGBT的VCE因过流上升，D5的3脚电压高于Vth时，比较器翻转输出高电平，OC门关断，DESAT端电压上升到+15V，超过芯片内部的6.5V比较门限，触发过流故障。

这种保护电路可以根据不同IGBT的需求调整电阻值，生产调试较为方便。

总结

IGBT的短路保护和过流保护是确保电力电子系统安全运行的关键机制。短路保护主要监测Vce压降，而过流保护则依赖电流传感器或特定电路来感知电流值。理解这两种保护机制的工作原理，对于设计和维护相关系统具有重要意义。