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    大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流;し桨
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    大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流;し桨

    作者:   发布日期:2016-04-19 22:47   信息来源:http://www.psychiatrie-desalieniste.com/

        陶海敏,李彦锋,张仲超,何湘宁
    浙江大学电力电子研究所,浙江杭州310027

    1引言
       随着电力电子器件制造技术 的发展,高性能、大容量的绝缘栅双极晶体管 (IGBT)因其具有电压型控制亚博手机版 - 网页版登陆、输入阻抗大、驱 动功率小、开关损耗低及工作频率高等特点亚博手机版 - 网页版登陆, 而越来越多地应用到工作频率为几十kHz以下, 输出功率从几kW到几百kW的各类电力变换装置中 。IGBT逆变器中最重要的环节就是高性能的过流 ;さ缏返纳杓。专用驱动亚博手机版 - 网页版登陆?槎即泄鞅 护功能。一些分立的驱动电路也带有过电流保 护功能。在工业应用中,一般都是利用这些瞬 时过电流亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆;ば藕叛遣┦只 - 网页版登陆,通过触发器时序逻辑电路 的记忆功能亚博手机版 - 网页版登陆,构成记忆锁定;さ缏,以避免 ;さ缏吩诠魇钡钠捣倍,实现可取的过 流;ぱ遣┦只 - 网页版登陆。本文分析了大功率可控整流电压型逆 变器中封锁驱动及整流拉逆变式双重;さ缏 结构。
    2IGBT失效原因和;し椒
    2.1IGBT失效原因分析
       引起IGBT失效的原因有:
       1)过热损坏集电极电流过大引起的 瞬时过热及其它原因,如散热不良导致的持续 过热均会使IGBT损坏。如果器件持续短路,大电 流产生的功耗将引起温升,由于芯片的热容量 小亚博手机版 - 网页版登陆,其温度迅速上升,若芯片温度超过硅本征 温度(约250℃),器件将失去阻断能力亚博手机版 - 网页版登陆,栅极控制 就无法;ぱ遣┦只 - 网页版登陆,从而导致IGBT失效[1]。实际 运行时亚博手机版 - 网页版登陆,一般最高允许的工作温度为130℃左右 。
       2)超出关断安全工作区引起擎住效应 而损坏擎住效应分静态擎住效应和动态擎住效 应亚博手机版 - 网页版登陆。IGBT为PNPN4层结构,其等效电路如图1所示亚博手机版 - 网页版登陆。 体内存在一个寄生晶闸管亚博手机版 - 网页版登陆,在NPN晶体管的基极 与发射极之间并有一个体区扩展电阻Rs, P型体内的横向空穴电流在Rs上会产生一定的电 压降,对NPN基极来说,相当于一个正向偏置电 压。在规定的集电极电流范围内亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆,这个正偏置 电压不大亚博手机版 - 网页版登陆,对NPN晶体管不起任何作用亚博手机版 - 网页版登陆。当集电 极电流增大到一定程度时亚博手机版 - 网页版登陆,该正向电压足以使 NPN晶体管开通亚博手机版 - 网页版登陆,进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状 态亚博手机版 - 网页版登陆。于是,寄生晶闸管导通亚博手机版 - 网页版登陆,门极失去控制作 用,形成自锁现象,这就是所谓的静态擎住效 应。IGBT发生擎住效应后亚博手机版 - 网页版登陆,集电极电流增大亚博手机版 - 网页版登陆,产 生过高功耗,导致器件失效亚博手机版 - 网页版登陆。动态擎住效应主 要是在器件高速关断时电流下降太快亚博手机版 - 网页版登陆,dvCE/dt很 大,引起较大位移电流亚博手机版 - 网页版登陆,流过Rs亚博手机版 - 网页版登陆,产生足 以使NPN晶体管开通的正向偏置电压,造成寄生 晶闸管自锁[2]亚博手机版 - 网页版登陆。

       3)瞬态过电流IGBT在运行过程中所承 受的大幅值过电流除短路亚博手机版 - 网页版登陆、直通等故障外,还 有续流二极管的反向恢复电流、缓冲电容器的 放电电流及噪声干扰造成的尖峰电流亚博手机版 - 网页版登陆。这种瞬 态过电流虽然持续时间较短亚博手机版 - 网页版登陆,但如果不采取措 施亚博手机版 - 网页版登陆,将增加IGBT的负担,也可能会导致IGBT失效。
       4)过电压造成集电极?发射极击穿 亚博手机版 - 网页版登陆。
       5)过电压造成栅极?发射极击穿亚博手机版 - 网页版登陆。
    2.2IGBT;し椒
       当过流情况出现时,IGBT必须维持 在短路安全工作区(SCSOA)内。IGBT承受短路的时 间与电源电压、栅极驱动电压以及结温有密切 关系。为了防止由于短路故障造成IGBT损坏,必 须有完善的故障检测与;せ方。一般的检测 方法分为电流传感器和IGBT欠饱和式;。
       1)封锁驱动信号
       在逆变电源的负载过大或输出短路 的情况下,通过逆变桥输入直流母线上的电流 传感器进行检测。当检测电流值超过设定的阈 值时亚博手机版 - 网页版登陆,;ざ鞣馑星疟鄣那藕。这 种;し椒ㄗ钪苯亚博手机版 - 网页版登陆,但吸收电路和箝位电路必 须经特别设计,使其适用于短路情况亚博手机版 - 网页版登陆。这种方 法的缺点是会造成IGBT关断时承受应力过大,特 别是在关断感性超大电流时亚博手机版 - 网页版登陆,必须注意擎住效 应。
       2)减小栅压
       IGBT的短路电流和栅压有密切关系, 栅压越高,短路时电流就越大亚博手机版 - 网页版登陆。在短路或瞬态 过流情况下若能在瞬间将vGS分步减少或 斜坡减少,这样短路电流便会减小下来亚博手机版 - 网页版登陆,当IGBT关 断时,di/dt也减小亚博手机版 - 网页版登陆。集成驱动电路如EXB841或M579xx系 列都有检测vCES电路,当发现欠饱和时, 栅压箝位到10V左右亚博手机版 - 网页版登陆,增大vCES亚博手机版 - 网页版登陆,限制过电 流幅值亚博手机版 - 网页版登陆,延长允许过流时间。短路允许时间tsc和 短路电流Isc同栅极电压vG的关系如图2所示。

    3整流拉逆变式组合亚博手机版 - 网页版登陆;し桨
    3.1逆变部分亚博手机版 - 网页版登陆;
       本设计逆变器为半桥式结构,串 联谐振负载,驱动采用IR公司的IR2110半桥驱动芯 片。IR2110电路简单,成本低亚博手机版 - 网页版登陆,适用于中大功率 IGBT,实验结果也验证了IR2110驱动中大功率IGBT的 可行性。IR2110芯片有一个封锁两路驱动的SD输入 端,当此引脚为高电平时亚博手机版 - 网页版登陆,立刻封锁两路输出 ,如图3所示亚博手机版 - 网页版登陆。

       电压型逆变器引起短路故 障的原因有:
       1)直通短路桥臂中某一个器件(包 括反并二极管)损坏亚博手机版 - 网页版登陆;或由于控制电路亚博手机版 - 网页版登陆,驱动 电路的故障亚博手机版 - 网页版登陆,以及干扰引起驱动电路误触发, 造成一个桥臂中两个IGBT同时开通。
       2)负载电路短路在某些升压变压器 输出场合亚博手机版 - 网页版登陆,副边短路的情况。
       3)逆变器输出直接短路
       图4给出了;さ缏房蛲。直通亚博手机版 - 网页版登陆; 电路必须有非?斓乃俣,在一般情况下,如 果IGBT的额定参数选择合理亚博手机版 - 网页版登陆,10μs之内的过流就 不会损坏器件,所以必须在这个时间内关断IGBT。 母线电流检测用霍尔传感器,响应速度快亚博手机版 - 网页版登陆,是 短路亚博手机版 - 网页版登陆;ぜ觳獾淖罴蜒≡。比较器用LM319,检测 值与设定值比较亚博手机版 - 网页版登陆,一旦超过亚博手机版 - 网页版登陆,马上输出亚博手机版 - 网页版登陆;ば 号封锁驱动。同时用触发器构成记忆锁定; 电路,以避免亚博手机版 - 网页版登陆;さ缏吩诠魇钡钠捣倍。 外接的复位电路也不可缺少。

     

    3.2整流部分;
       对于大功率电压型逆变器,为了 改善进线电流波形,一般在直流母线上串有滤 波电感,如图5所示亚博手机版 - 网页版登陆。由于电感的存在,当逆变 电路一旦停止工作,如果整流电路仍处在整流 状态亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆,则电感中的能量将向电容释放亚博手机版 - 网页版登陆,在逆变 ;ざ魉布涞缛萁惺芤桓龊芨叩墓宓缪 亚博手机版 - 网页版登陆,若不采取措施,可能会直接导致电容过压损 坏。尤其在负载电流很高亚博手机版 - 网页版登陆,L中储能很大时,更 加危险亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆。

       假设逆变关断时滤波电感中的电 流全部从电容C中流过,同时整流器继续输出电 压Ud亚博手机版 - 网页版登陆。图6给出了等效电路,L与C串联谐振亚博手机版 - 网页版登陆,由 于整流桥电流只能单向流通,所以振荡到T/4时 结束。



       可见在谐振到1/4周期时,电容上的 电压达到最大值亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆,之后谐振停止 亚博手机版 - 网页版登陆。    
       
       电容上最后电压与母线电流,电感 及电容有关。在我们试验用的10kW样机中,直流 母线电压200V时让逆变瞬间在亚博手机版 - 网页版登陆;ば藕畔鹿囟涎遣┦只 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆, 母线电压突然上升到近450V亚博手机版 - 网页版登陆。针对此种现象亚博手机版 - 网页版登陆,采 用在;ざ鞯耐苯鞯缏防侥姹涔ぷ 状态(触发角α拉到约150°),使滤波电感中的能 量大部分回馈到电网亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆。
       在实际应用中,由于驱动电路的故 障导致上下桥臂IGBT直通的可能性很小。鉴于此 ,也可以采用单一的整流部分拉逆变的亚博手机版 - 网页版登陆;し 法。对于像负载过流或短路,都能在IGBT允许的 短路电流时间内将整个装置的工作停下来。这 种毖遣┦只 - 网页版登陆;し椒ú⒉恢苯诱攵訧GBT亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆,而是将前级整流 输入关断亚博手机版 - 网页版登陆,故障时IGBT仍处于工作状态亚博手机版 - 网页版登陆。这属于 “软;ぁ,对IGBT没有应力冲击,同时也可以 避免在大电流下瞬间关断可能导致IGBT超出关断 安全工作区而处于擎住状态。
    4实验结果
       这种;し桨敢殉晒Φ赜τ 于大功率高频高压电压型串联谐振逆变器中, 中压输出经升压变压器升到6kV,用于材料电晕 处理。样机输出功率约10kW。由于负载是高压电 晕处理器,升压变压器内部容易发生原、副边 击穿现象亚博手机版 - 网页版登陆。试验中发现亚博手机版 - 网页版登陆,不论对于负载短路, 变压器击穿引起的过流亚博手机版 - 网页版登陆,还是输入电压过高引 起的过流都能很好地;つ姹淦鞑皇芩鸹。
    5结论
       IGBT是逆变器中最容易损坏的 部分,特别是对于电压型可控整流电路亚博手机版 - 网页版登陆。在对 IGBT直通;な被挂悸堑焦囟夏姹淦鞫郧凹兜 路的影响亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆。本文所介绍的整流逆变同时亚博手机版 - 网页版登陆;さ 方案可以可靠亚博手机版 - 网页版登陆;ふ瞿姹淦,并在实践中取 得了良好的效果亚博手机版 - 网页版登陆。

    参考文献

    [1]RahulS.Chokhawala,JamieCatt,LaszloKiraly.Adis?cussiononIGBT short?circuitbehaviorandfaultprotectionschemes.IEEETransactionson applications,1995,31(2).
    [2]张立亚博手机版 - 网页版登陆,黄两一.电力电子场控器件及其应用.北 京亚博手机版 - 网页版登陆亚博手机版 - 网页版登陆,机械工业出版社.

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