基于矩陣變換器IGBT的過流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

分別針對矩陣變換器的整流級和逆變級IGBT的過流現(xiàn)象進(jìn)行了討論，提出了一種新的集中式過流保護(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：新的集中式過流保護(hù)電路具有經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)。

O引言

近年來，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)電路主要分為過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過熱保護(hù)電路。本文主要討論IGBT的過流保護(hù)電路。通常情況下，根據(jù)IGBT手冊給出的相關(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，由于整流級和逆變級的IGBT數(shù)量較多，而對逐個IGBT過流保護(hù)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)較為繁瑣，故可以采用集中式過流保護(hù)電路，以達(dá)到精簡和優(yōu)化電路的效果。

另外，由于IGBT能夠承受一定時間的短路電流，所承受短路電流的時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)并對其關(guān)斷，從而達(dá)到保護(hù)IGBT可靠工作的目的。

1過流分析

IGBT的過流情況可以分為兩類：一類是低倍數(shù)(1．2～1．5倍)的過載電流；另一類是高倍數(shù)(高達(dá)8～10倍)的短路電流。

1．1過載電流保護(hù)

原則上，IGBT在過流時的開關(guān)和通態(tài)特性與其在額定條件下運(yùn)行時的特性相比并沒有什么不同。但由于比較大的負(fù)載電流會引起IGBT內(nèi)較高的損耗，所以，為了避免超過最大允許節(jié)溫，IGBT的過載范圍往往會受到限制。這不僅是過載時節(jié)溫的絕對值，而且連過載時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間很短，且能承受短路電流的時間與該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。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，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方增大，從而造成承受短路的時間迅速縮短。

原則上，IGBT都是安全短路器件。換句話說，它們在一定的外部條件下可以承受短路電流，然后被關(guān)斷，而器件不會發(fā)生損壞。

2保護(hù)電路設(shè)計(jì)

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

在整流級的三個橋臂上，每個橋臂都由2個雙向開關(guān)、4個IGBT和4個二極管構(gòu)成。因此，集中式過流檢測就只能在整流級的輸入進(jìn)行，那里為交流信號，可以通過以下電路進(jìn)行檢測。然而，在逆變級，每個橋臂由2個IGBT和2個二極管構(gòu)成，其集中式過流保護(hù)監(jiān)測也設(shè)置在輸入環(huán)節(jié)，即在輸入直流母線上進(jìn)行檢測。