大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過(guò)流保護(hù)方案以及大功率弧焊逆變電源的IGBT保護(hù)技術(shù) – 變流、電壓變換、逆變電路
弧焊逆變電源廣泛應(yīng)用于造船、機(jī)械、汽車(chē)、電力、化工、石油、輕工業(yè)、航天、國(guó)防工業(yè)等部門(mén)。近年來(lái)大功率電力電子器件IGBT以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到眾多廠家的青睞，并逐步應(yīng)用于現(xiàn)代弧焊逆變電源中。然而弧焊逆變電源工作環(huán)境惡劣，其負(fù)載決定了其工作電流變化劇烈，如果我們對(duì)IGBT性能和特點(diǎn)存在模糊認(rèn)識(shí)并且在控制方法和保護(hù)技術(shù)等方面未采取有效的措施，則很有可能會(huì)損壞IGBT，從而使人們開(kāi)始懷疑IGBT的質(zhì)量是否真正符合資料上所列出的各項(xiàng)參數(shù)。本文針對(duì)以上問(wèn)題介紹了一種應(yīng)用電路硬件保護(hù)和單片機(jī)控制程序保護(hù)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)IGBT進(jìn)行有效的保護(hù)。
有關(guān)大功率IGBT驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)和IGBT高壓大功率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用及原理，更多關(guān)于IGBT方案請(qǐng)咨詢(xún)上海工品實(shí)業(yè)有限公司。
1 引 言
2．IGBT 的工作原理
2.1 IGBT結(jié)構(gòu)
IGBT結(jié)構(gòu)上與MOSFET十分相似，只是多了一個(gè)
層，引出作為發(fā)射極，柵極、集電極與MOSFET完全相似。其簡(jiǎn)化等效電路如圖1所示。圖1
IGBT的工作原理：IGBT由柵極電壓正負(fù)來(lái)控制。當(dāng)加上正柵極電壓時(shí)，絕緣柵下形成溝道，MOSFET導(dǎo)通，相當(dāng)于
接到E，為PNP晶體管提供了流動(dòng)的基極電流，從而使PNP管（即整個(gè)IGBT）導(dǎo)通。當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí)，IGBT工作過(guò)程相反，形成關(guān)斷。
2.2 IGBT安全工作區(qū)
在IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中，大電流和大電壓的重疊造成主要的功耗，同時(shí)承受較高的di/dt和dv/dt即電流電壓應(yīng)力。特別是運(yùn)行在PWM硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，這是影響可靠性的重要原因。為了保證其安全可靠的工作，不僅有電流電壓的限制，還必需使其動(dòng)態(tài)過(guò)程的運(yùn)行軌跡在安全工作區(qū)內(nèi)。如圖2所示，正偏安全工作區(qū)FBSOA是指柵極加正向電壓時(shí)的安全工作區(qū)，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通狀態(tài)。三條邊界分別對(duì)應(yīng)允許電流、允許電壓和允許功耗。隨著導(dǎo)通時(shí)間增長(zhǎng)，功耗和溫升增加，安全工作區(qū)縮小。
IGBT關(guān)斷時(shí)為反向偏置，對(duì)應(yīng)安全工作區(qū)為反偏安全工作區(qū)RBSOA。除了電流電壓邊界外，另一邊界為器件關(guān)斷后的重加電壓上升率。因此，電壓變化率越大，安全工作區(qū)越小。實(shí)際上，這就是因?yàn)镮GBT動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)的限制的緣故。所以在弧焊逆變電源的設(shè)計(jì)中，限制過(guò)電流和過(guò)電壓、改善器件的運(yùn)行特性以及降低功耗，都有重要的意義。在不同的工作狀態(tài)下，保證IGBT在安全工作范圍內(nèi)并處于較好狀態(tài)下，是提高整機(jī)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。
3．IGBT的保護(hù)措施
由于其結(jié)構(gòu)和安全工作區(qū)知IGBT的可靠與否主要由以下因素決定：
1、柵極與發(fā)射極電壓
2、集電極與發(fā)射極電壓
3、流過(guò)集電極的電流
4、IGBT的結(jié)溫
以上的四個(gè)因素在工作環(huán)境惡劣的弧焊逆變電源中都是需要注意的，尤其是第二項(xiàng)和第三項(xiàng)是我們?cè)谠O(shè)計(jì)保護(hù)電路中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。
3.1 IGBT柵極的保護(hù)
IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓
的保證電壓為
，因此在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵極壓限幅電路；另外由于焊接電源設(shè)備工作環(huán)境非常惡劣，在運(yùn)輸或振動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)使柵極回路斷開(kāi)，這時(shí)如果電源設(shè)備開(kāi)始工作，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極－發(fā)射極間有電流流過(guò)。這時(shí)若集電極和發(fā)射極處于高壓狀態(tài)時(shí)，會(huì)使IGBT發(fā)熱，極易引起IGBT損壞。為防止此類(lèi)情況發(fā)生，可在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只 的電阻，此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)身極。如圖3所示。
圖3
3.2 集電極與發(fā)射極的過(guò)壓保護(hù)
有關(guān)大功率IGBT驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)和IGBT高壓大功率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用及原理，更多關(guān)于IGBT方案請(qǐng)咨詢(xún)上海工品實(shí)業(yè)有限公司。弧焊逆變電源進(jìn)入焊接狀態(tài)時(shí)，輸出端即從空載轉(zhuǎn)入接近短路狀態(tài)，這時(shí)要求輸出電流必須處于所需要的恒定狀態(tài)。理論上，采用恒流閉環(huán)控制系統(tǒng)即可以控制電源的短路電流，但實(shí)際短路時(shí)，輸出電壓很低，即IGBT的工作脈寬很窄，才能保證輸出電流恒定，這就造成了IGBT在很短的導(dǎo)通期間，吸收電容未分放電而馬上關(guān)斷，且因分布電感和漏感的影響，IGBT的關(guān)斷是在承受較高的反壓下進(jìn)行的，極易使IGBT損壞，為了使IGBT 關(guān)斷過(guò)電壓能得到有效的抑制并減少關(guān)斷損耗，需要給IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型，從吸收過(guò)電壓的能力上來(lái)說(shuō)，充放電型效果較好，所以可在弧焊逆變電源中的IGBT過(guò)壓保護(hù)緩沖電路可采用圖4所示緩沖吸收電路：
圖4
在此硬件電路的基礎(chǔ)上，結(jié)合單片機(jī)的控制系統(tǒng)可檢測(cè)輸出電壓低于某一設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)便認(rèn)為負(fù)載電弧是處于短路狀態(tài)，這時(shí)單片機(jī)便對(duì)IGBT的最小脈沖寬度進(jìn)行限制，以保證吸收電容有足夠的放電時(shí)間，從而降低IGBT的關(guān)斷反向電壓。同時(shí)為保證輸出電流恒定，單片機(jī)在判斷輸出為短路時(shí)將逆變器的等脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）變?yōu)轭l率調(diào)節(jié)控制（PFM），即脈沖分頻控制，輸出電壓越低，輸出脈沖的頻率越低。其單片機(jī)程序過(guò)程如圖5所示：
這與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單限流或直接關(guān)閉IGBT的控制方式有本質(zhì)的區(qū)別，它是利用單片機(jī)的智能性改變其工作方式來(lái)保護(hù)IGBT的安全，從而可靠的保證IGBT的安全。
3.3 過(guò)流保護(hù)
過(guò)流對(duì)IGBT來(lái)說(shuō)，是產(chǎn)生原因最復(fù)雜、發(fā)生次數(shù)最多、損壞概率最高的事件，也是國(guó)內(nèi)弧焊逆變電源容易損壞的主要原因。IGBT正常工作時(shí)，導(dǎo)通期間的電流包括開(kāi)通時(shí)的尖峰、折算到原邊的焊接電流和關(guān)斷時(shí)的拖尾電流。在設(shè)計(jì)IGBT的過(guò)流保護(hù)時(shí)，主要可采取以下三條措施：首先選擇IGBT器件時(shí)，使其最大工作電流只占IGBT
的30%左右，其目的就是要使IGBT的安全工作區(qū)盡可能在一些，以避免IGBT的擎住效應(yīng)；其次針對(duì)元器件失效等偶發(fā)性故障，如輸出失控、IGBT損壞、功率變壓器擊穿、短路、高頻整流快恢復(fù)二極管損壞引起的過(guò)電流行為，應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)電路為立即保護(hù)型。即保護(hù)電路動(dòng)作后，切斷供電電源，停止逆變電源工作；最后，對(duì)元器件并沒(méi)有失效，而是由于某種其它原因如負(fù)載突然加大造成的過(guò)流，可嘗試采用一種慢降柵壓的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)
3.4 過(guò)熱保護(hù)
在焊接工作時(shí)由于工作環(huán)境惡劣，流過(guò)IGBT電流很大，并且開(kāi)關(guān)頻率較高，所以器件的損耗也較大，如果熱量不能及時(shí)散掉，使結(jié)溫 ，則會(huì)引起IGBT的損壞，在熱設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮在短路和過(guò)載時(shí)，IGBT也不能過(guò)熱而損壞。適當(dāng)加大散熱系統(tǒng)是保護(hù)焊接電源正常工作的必要條件，但由于散熱系統(tǒng)不可能無(wú)限制擴(kuò)大，所以要在靠近IGBT處安裝一溫度繼電器來(lái)檢測(cè)IGBT的工作溫度。當(dāng)溫度超過(guò)所設(shè)定的最高溫度時(shí)切斷IGBT的輸入，保護(hù)其安全。
4 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了利用硬件保護(hù)電路并結(jié)合單片機(jī)的程序?qū)『改孀冸娫粗蠭GBT進(jìn)行保護(hù)的方法和措施。該方法不僅從硬件電路上設(shè)計(jì)了可靠的保護(hù)電路，而且還利用單片機(jī)的程序來(lái)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行判斷后選擇工作方式來(lái)間接對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)，這樣不僅保護(hù)了IGBT的安全還保證了該電源即使在惡劣的環(huán)境的中也能可靠穩(wěn)定的工作。所以在實(shí)際應(yīng)用中只要我們考慮到IGBT的不同容量、型號(hào)并參考以上方法采取相應(yīng)的保護(hù)措施就可以達(dá)到滿意的效果。
隨著電力電子器件制造技術(shù) 的發(fā)展，高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管 （IGBT）因其具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū) 動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)損耗低及工作頻率高等特點(diǎn)， 而越來(lái)越多地應(yīng)用到工作頻率為幾十kHz以下， 輸出功率從幾kW到幾百kW的各類(lèi)電力變換裝置中 。IGBT逆變器中最重要的環(huán)節(jié)就是高性能的過(guò)流 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)模塊都帶有過(guò)流保 護(hù)功能。一些分立的驅(qū)動(dòng)電路也帶有過(guò)電流保 護(hù)功能。在工業(yè)應(yīng)用中，一般都是利用這些瞬 時(shí)過(guò)電流保護(hù)信號(hào)，通過(guò)觸發(fā)器時(shí)序邏輯電路 的記憶功能，構(gòu)成記憶鎖定保護(hù)電路，以避免 保護(hù)電路在過(guò)流時(shí)的頻繁動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)可取的過(guò) 流保護(hù)。本文分析了大功率可控整流電壓型逆 變器中封鎖驅(qū)動(dòng)及整流拉逆變式雙重保護(hù)電路 結(jié)構(gòu)。
2IGBT失效原因和保護(hù)方法
2．1IGBT失效原因分析
引起IGBT失效的原因有：
1）過(guò)熱損壞集電極電流過(guò)大引起的 瞬時(shí)過(guò)熱及其它原因，如散熱不良導(dǎo)致的持續(xù) 過(guò)熱均會(huì)使IGBT損壞。如果器件持續(xù)短路，大電 流產(chǎn)生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量 小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過(guò)硅本征 溫度(約250℃)，器件將失去阻斷能力，柵極控制 就無(wú)法保護(hù)，從而導(dǎo)致IGBT失效[1]。實(shí)際 運(yùn)行時(shí)，一般最高允許的工作溫度為130℃左右 。
2)超出關(guān)斷安全工作區(qū)引起擎住效應(yīng) 而損壞擎住效應(yīng)分靜態(tài)擎住效應(yīng)和動(dòng)態(tài)擎住效 應(yīng)。IGBT為PNPN4層結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖1所示。 體內(nèi)存在一個(gè)寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極 與發(fā)射極之間并有一個(gè)體區(qū)擴(kuò)展電阻Rs， P型體內(nèi)的橫向空穴電流在Rs上會(huì)產(chǎn)生一定的電 壓降，對(duì)NPN基極來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于一個(gè)正向偏置電 壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個(gè)正偏置 電壓不大，對(duì)NPN晶體管不起任何作用。當(dāng)集電 極電流增大到一定程度時(shí)，該正向電壓足以使 NPN晶體管開(kāi)通，進(jìn)而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀 態(tài)。于是，寄生晶閘管導(dǎo)通，門(mén)極失去控制作 用，形成自鎖現(xiàn)象，這就是所謂的靜態(tài)擎住效 應(yīng)。IGBT發(fā)生擎住效應(yīng)后，集電極電流增大，產(chǎn) 生過(guò)高功耗，導(dǎo)致器件失效。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)主 要是在器件高速關(guān)斷時(shí)電流下降太快，dvCE/dt很 大，引起較大位移電流，流過(guò)Rs，產(chǎn)生足 以使NPN晶體管開(kāi)通的正向偏置電壓，造成寄生 晶閘管自鎖[2]。
3)瞬態(tài)過(guò)電流IGBT在運(yùn)行過(guò)程中所承 受的大幅值過(guò)電流除短路、直通等故障外，還 有續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流、緩沖電容器的 放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬 態(tài)過(guò)電流雖然持續(xù)時(shí)間較短，但如果不采取措 施，將增加IGBT的負(fù)擔(dān)，也可能會(huì)導(dǎo)致IGBT失效。
4）過(guò)電壓造成集電極?發(fā)射極擊穿 。
5）過(guò)電壓造成柵極?發(fā)射極擊穿。
2．2IGBT保護(hù)方法
當(dāng)過(guò)流情況出現(xiàn)時(shí)，IGBT必須維持 在短路安全工作區(qū)（SCSOA）內(nèi)。IGBT承受短路的時(shí) 間與電源電壓、柵極驅(qū)動(dòng)電壓以及結(jié)溫有密切 關(guān)系。為了防止由于短路故障造成IGBT損壞，必 須有完善的故障檢測(cè)與保護(hù)環(huán)節(jié)。一般的檢測(cè) 方法分為電流傳感器和IGBT欠飽和式保護(hù)。
1）封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)
在逆變電源的負(fù)載過(guò)大或輸出短路 的情況下，通過(guò)逆變橋輸入直流母線上的電流 傳感器進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)電流值超過(guò)設(shè)定的閾 值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作封鎖所有橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這 種保護(hù)方法最直接，但吸收電路和箝位電路必 須經(jīng)特別設(shè)計(jì)，使其適用于短路情況。這種方 法的缺點(diǎn)是會(huì)造成IGBT關(guān)斷時(shí)承受應(yīng)力過(guò)大，特 別是在關(guān)斷感性超大電流時(shí)，必須注意擎住效 應(yīng)。
2）減小柵壓
IGBT的短路電流和柵壓有密切關(guān)系， 柵壓越高，短路時(shí)電流就越大。在短路或瞬態(tài) 過(guò)流情況下若能在瞬間將vGS分步減少或 斜坡減少，這樣短路電流便會(huì)減小下來(lái)，當(dāng)IGBT關(guān) 斷時(shí)，di/dt也減小。集成驅(qū)動(dòng)電路如EXB841或M579xx系 列都有檢測(cè)vCES電路，當(dāng)發(fā)現(xiàn)欠飽和時(shí)， 柵壓箝位到10V左右，增大vCES，限制過(guò)電 流幅值，延長(zhǎng)允許過(guò)流時(shí)間。短路允許時(shí)間tsc和 短路電流Isc同柵極電壓vG的關(guān)系如圖2所示
3整流拉逆變式組合保護(hù)方案
電容上最后電壓與母線電流，電感 及電容有關(guān)。在我們?cè)囼?yàn)用的10kW樣機(jī)中，直流 母線電壓200V時(shí)讓逆變瞬間在保護(hù)信號(hào)下關(guān)斷， 母線電壓突然上升到近450V。針對(duì)此種現(xiàn)象，采 用在保護(hù)動(dòng)作的同時(shí)將整流電路拉到逆變工作 狀態(tài)(觸發(fā)角α拉到約150°)，使濾波電感中的能 量大部分回饋到電網(wǎng)。
在實(shí)際應(yīng)用中，由于驅(qū)動(dòng)電路的故 障導(dǎo)致上下橋臂IGBT直通的可能性很小。鑒于此 ，也可以采用單一的整流部分拉逆變的保護(hù)方 法。對(duì)于像負(fù)載過(guò)流或短路，都能在IGBT允許的 短路電流時(shí)間內(nèi)將整個(gè)裝置的工作停下來(lái)。這 種保護(hù)方法并不直接針對(duì)IGBT，而是將前級(jí)整流 輸入關(guān)斷，故障時(shí)IGBT仍處于工作狀態(tài)。這屬于 “軟保護(hù)”，對(duì)IGBT沒(méi)有應(yīng)力沖擊，同時(shí)也可以 避免在大電流下瞬間關(guān)斷可能導(dǎo)致IGBT超出關(guān)斷 安全工作區(qū)而處于擎住狀態(tài)。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
這種保護(hù)方案已成功地應(yīng)用 于大功率高頻高壓電壓型串聯(lián)諧振逆變器中， 中壓輸出經(jīng)升壓變壓器升到6kV，用于材料電暈 處理。樣機(jī)輸出功率約10kW。由于負(fù)載是高壓電 暈處理器，升壓變壓器內(nèi)部容易發(fā)生原、副邊 擊穿現(xiàn)象。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，不論對(duì)于負(fù)載短路， 變壓器擊穿引起的過(guò)流，還是輸入電壓過(guò)高引 起的過(guò)流都能很好地保護(hù)逆變器不受損壞。
5結(jié)論
IGBT是逆變器中最容易損壞的 部分，特別是對(duì)于電壓型可控整流電路。在對(duì) IGBT直通保護(hù)時(shí)還要考慮到關(guān)斷逆變器對(duì)前級(jí)電 路的影響。本文所介紹的整流逆變同時(shí)保護(hù)的 方案可以可靠保護(hù)整個(gè)逆變器，并在實(shí)踐中取 得了良好的效果。
有關(guān)大功率IGBT驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)和IGBT高壓大功率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用及原理，更多關(guān)于IGBT方案請(qǐng)咨詢(xún)上海工品實(shí)業(yè)有限公司。
