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激光電源

IGBT驅(qū)動器保護(hù)原理

星之球激光 來源:工控網(wǎng)2012-08-25 我要評論(0 )   

1 引言 為確保 電力電子 組件在非允許工作的條件影響下得到可靠的保護(hù),需要快速和可靠的錯誤檢測及有效的保護(hù)措施。為確保得到可靠的保護(hù),在功率模塊中,即可通過系統(tǒng)...

       1 引言

  為確保電力電子組件在非允許工作的條件影響下得到可靠的保護(hù),需要快速和可靠的錯誤檢測及有效的保護(hù)措施。為確保得到可靠的保護(hù),在功率模塊中,即可通過系統(tǒng)控制器或者通過igbt驅(qū)動器提供錯誤管理。系統(tǒng)控制器適用于對慢速故障模式做出反應(yīng),如超溫所導(dǎo)致的過熱。相反,需要驅(qū)動電子檢測和響應(yīng)突發(fā)錯誤。如今市場上有各種驅(qū)動器,它們的適用性、效率和可靠性各不相同。

  功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的快速錯誤包括短路和電路引起的過電壓。短路是速度最快的錯誤。當(dāng)電力電子系統(tǒng)投入使用時(shí),連接和隔離錯誤往往是造成短路的因素,而在現(xiàn)場應(yīng)用中,短路可能歸因于故障組件。

  如果短路發(fā)生在負(fù)載通道或者橋接旁路,igbt的集電極電流完全增大,造成晶體管飽和。如今市場上的igbt模塊只能防短路很短的時(shí)間。為了防止igbt被熱負(fù)荷摧毀,在安全時(shí)間內(nèi)檢測到短路并且可靠地關(guān)斷igbt是至關(guān)重要的。

  驅(qū)動器的電子電路可通過測量di/dt或者監(jiān)測vce檢測短路。

  di/dt檢測中圖1(a),驅(qū)動器通過電子線路去測量igbt中電流的變化率。輔助和功率發(fā)射極間的雜散電感上的壓降正比于集電極電流的變化率(di/dt)。通過將電壓與參考電壓相比較,可以檢測出快速的短路。為了監(jiān)測緩慢短路,該方法在鍵合線及功率和輔助發(fā)射極間的內(nèi)部母線中使用阻性元件。然而,此方法還取決于用于電源連接的螺絲連接。這些顯示了一定的接觸電阻特性分布,并要考慮與其他電阻元件的串聯(lián)。這要求精確地適應(yīng)給定的系統(tǒng)。一般來說,di/dt檢測只能用于帶有輔助發(fā)射極輸出的igbt模塊。

  vcesat監(jiān)測圖1(b)則是通過集電極電流與通態(tài)電壓的關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)的。為此,集電極-發(fā)射極電壓被測量,并通過一個(gè)比較器與一個(gè)參考電壓相比較。如果電壓讀數(shù)超過參考電壓,驅(qū)動器的電子電路會自動關(guān)斷晶體管。由于晶體管電壓的迅速增加,vce監(jiān)測是一個(gè)可靠的短路檢測方法。vce監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)是可快速檢測到短路,適用于任何標(biāo)準(zhǔn)的igbt。

  如果短路時(shí)負(fù)載帶有較大的電,如在電源側(cè),集電極電流上升速度更加緩慢。在這種情況下,vce閾值必須做相應(yīng)的調(diào)整。為了能夠在過流檢測中使用vce方法,可使用多級vce監(jiān)測。此時(shí),定義幾個(gè)帶給定參考時(shí)間的跳變閾值。但是,這種方法的缺點(diǎn)是溫度不同會導(dǎo)致測量結(jié)果完全不一樣,以及要調(diào)整給定系統(tǒng)各級所涉及的因素也是非常復(fù)雜的。一般來說,更為有效和可靠的檢測慢速過電流方法是采用集成電流傳感器。

  除了快速錯誤檢測,對短路做出有效和可靠的響應(yīng)也是至關(guān)重要的。如果驅(qū)動器用在多級應(yīng)用中或者用于驅(qū)動同步電機(jī),主控制器應(yīng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的關(guān)閉。在這種情況下,驅(qū)動器只發(fā)送隔離錯誤信號到控制器并等待指令。例如,在多級應(yīng)用中,如果驅(qū)動器直接關(guān)斷功率半導(dǎo)體,然后發(fā)送信號給控制器,那么在整個(gè)信號傳輸和響應(yīng)時(shí)間內(nèi)整個(gè)直流環(huán)節(jié)電壓可能施加在一個(gè)igbt上。這將導(dǎo)致模塊的損壞。然而,在大部分應(yīng)用中,讓驅(qū)動器直接關(guān)斷功率模塊更加安全。驅(qū)動器可以更迅速地做出響應(yīng),因?yàn)樗鼰o需等待信號傳輸過程完成,可從二次側(cè)獨(dú)立關(guān)斷模塊。驅(qū)動器可確保關(guān)斷短路電流時(shí)避免產(chǎn)生電壓尖峰,通過一個(gè)軟關(guān)斷或二級關(guān)斷功能的途徑實(shí)現(xiàn)。此時(shí),驅(qū)動器關(guān)斷具有更大柵極電阻的igbt更慢,這樣作保護(hù)模塊,使其免超安全工作區(qū)(soa)。#p#分頁標(biāo)題#e#

      

        2 電路引起的過電壓

  第二種快速錯誤模式是由電路引起的過電壓導(dǎo)致的。必須檢測關(guān)斷過程中產(chǎn)生的過電壓并將其迅速減小以防止igbt模塊被損壞。電源電路中的雜散電感導(dǎo)致開關(guān)浪涌,例如母線所導(dǎo)致的。外部引發(fā)的過電壓是緩慢的,可通過監(jiān)控直流環(huán)節(jié)電壓更有效地控制。

  驅(qū)動器電子可以通過有源鉗位直接控制過電壓,也可以使用intellioff(智能關(guān)斷),一種用于減小臨界電壓尖峰的功能。如圖2,3所示。

  只要出現(xiàn)過電壓,有源箝位讓igbt重新導(dǎo)通。柵極充電過程基本上是由集電極和柵極間的中央單元控制的,以降低過電壓。

  這里,過電壓值的最大值對應(yīng)齊納電壓。晶體管再次工作在安全操作區(qū)內(nèi),但將儲存在lk中的能量轉(zhuǎn)換為熱量。在此過程中,igbt內(nèi)部在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的額外損耗。這些損耗加速了組件的老化過程并限制了變換器系統(tǒng)的可靠性。

  防止發(fā)生過電壓的一種方法是使用intellioff關(guān)斷功能。結(jié)合對軟關(guān)斷幾乎是即時(shí)開關(guān)響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn),intellioff提供了優(yōu)化的關(guān)斷能力。得益于不同速度的柵極放電,關(guān)斷過程本身被intellioff優(yōu)化。首先,驅(qū)動器啟動igbt關(guān)斷過程越快越好。只要關(guān)斷過程進(jìn)入過壓階段,驅(qū)動器減慢關(guān)斷過程,在這種情況下主動應(yīng)對過電壓。最后,igbt驅(qū)動器安全可靠地關(guān)斷模塊。

  只要關(guān)斷信號到來,驅(qū)動器產(chǎn)生負(fù)的柵極電荷。柵極集電極和發(fā)射極電容的放電過程開始,柵極電流達(dá)到其負(fù)峰值(period0)。由于米勒效應(yīng),其描述了電容容抗在關(guān)斷時(shí)的反饋過程,柵極發(fā)射極電壓在特定的時(shí)間(period1)內(nèi)保持較高的電平。得益于小阻值的關(guān)斷電阻,intellioff縮短了放電時(shí)間,并允許該過程加速。在period2,大阻值電阻減慢關(guān)斷過程,這樣做避免了電路引起的電壓尖峰(period2)。如果沒有intellioff,在有源箝位的情況下,這一階段可能會出現(xiàn)過壓,產(chǎn)生額外的損耗。如果不采取合適的保護(hù)措施,最終可能會導(dǎo)致模塊的損壞。一旦危險(xiǎn)的電壓尖峰時(shí)間過去了,驅(qū)動器通過intellioff功能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷電阻的并聯(lián),確保igbt被安全有效地關(guān)斷。得益于大小關(guān)斷電阻間的可調(diào)時(shí)間常數(shù),簡單的調(diào)整是可能的。

  特別是新一代igbt,具有非??旌陀驳拈_關(guān)特性。intellioff功能可確保無危險(xiǎn)電壓尖峰風(fēng)險(xiǎn)的快速關(guān)斷,并由此幫助確保新igbt模塊的最佳性能。相比之下,替代的防護(hù)概念以限制igbt模塊性能換取保護(hù),這樣做會產(chǎn)生的額外損耗。

  柵極驅(qū)動器的理想保護(hù)取決于特定的應(yīng)用。然而,一般來說,在系統(tǒng)標(biāo)注尺寸階段調(diào)查和分析錯誤機(jī)制是明智的。采用柵極驅(qū)動器去永久性地補(bǔ)償非允許條件不是一個(gè)有效的解決方案,再者也會降低可靠性。一個(gè)更加有效的過電壓保護(hù)方法是使用intellioff功能,可在第一時(shí)間防止出現(xiàn)電壓尖峰。vce監(jiān)測是一種可靠的短路檢測方法,相比di/dt檢測具有許多優(yōu)勢,因其可適應(yīng)和適用于任何的標(biāo)準(zhǔn)模塊。#p#分頁標(biāo)題#e#

        3 結(jié)束語

  當(dāng)今市場上有許多不同的驅(qū)動器保護(hù)解決方案,從標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能到高度復(fù)雜的驅(qū)動器解決方案。然而,采用簡單的驅(qū)動器解決方案,用戶必須自己集成保護(hù)功能,并為整個(gè)系統(tǒng)提供驅(qū)動器保護(hù)。這會是相當(dāng)昂貴的并且驅(qū)動器保護(hù)往往被低估。相比之下,高度復(fù)雜的驅(qū)動器解決方案往往存在不利之處,系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜且使用壽命常常是受限的。一個(gè)最佳的驅(qū)動解決方案必須滿足系統(tǒng)的可靠性要求,但也應(yīng)把大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的價(jià)格作為重要因素來考慮。

 

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