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）是现代电力电子技术中的核心器件之一，广泛应用于各种电源转换和电机驱动系统中。为了确保IGBT的安全运行，需要对其实施有效的保护措施，其中短路保护和过流保护是最为关键的两种保护机制。本文将详细探讨这两种保护机制的工作原理及其在实际应用中的实现方式。

短路保护

短路的分类

短路可以分为两类：

1. 桥臂内短路（直通）：命名为一类短路；
2. 桥臂间短路（大电感短路）：命名为二类短路，可以通过霍尔传感器检测电流变化率来判断。

短路保护原理

短路保护，也称为退饱和保护（desat保护），其原理如下：

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。

短路保护实际上是通过监测Vce之间的压降来实现的。当Vce达到预设阈值时，驱动芯片会启动保护动作。需要注意的是，IGBT发生短路时，电流会迅速上升至额定电流的4倍以上，此时需要引入有源钳位电路来吸收电压尖峰，防止IGBT损坏。

过流保护

过流保护与短路保护的主要区别在于电流上升速率和回路电感的影响。过流通常是由于回路电感较大，导致电流爬升缓慢，IGBT不会发生退饱和现象。因此，过流保护主要依赖于电流传感器来感知电流的绝对值。

过流保护的实现方式

1. 电流传感器检测：主要采用闭环霍尔电流传感器进行采样，但受限于霍尔传感器的频带宽度及控制采样电路的延迟，实时性可能有待提高；
2. di/dt检测：通过测量IGBT的功率E级和驱动E级之间的寄生电感来判断电流大小，但该电感参数不易测量；
3. Vce饱和压降检测：可以利用IGBT驱动芯片的去饱和Desat检测功能。

具体电路实现

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：

D5为低漂型电压比较器LM2903。通过调整R1、R2的阻值可在D5的2脚端得到需要的阈值电压Vth。IGBT正常工作时，D5的3脚端电压低于Vth，比较器输出为低电平；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，过流故障发生。

采用这种电路设计可以根据不同IGBT的需求调整R1、R2的阻值，生产调试较为方便。

总结

短路保护和过流保护是IGBT安全运行的重要保障。短路保护主要通过监测Vce压降实现，而过流保护则需要依赖电流传感器或其他检测手段。理解这两种保护机制的原理和实现方式，对于设计和维护电力电子系统具有重要意义。