IGBT短路保护的应用及意义
IGBT短路保护的应用及意义
IGBT短路保护电路可以实现快速保护，同时能节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器，降低整个系统的成本。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，可以应用于大型的高频逆变器。
在变频器的内部的直流电源部分的输出（连接到逆变器）的两根线上分别有两个霍尔器件.在正常情况下，流出直流源(流入逆变器)的电流和流回直流源（从逆变器流回）的电流是相等的。两个霍尔器件上的电压是平衡的.一旦发生接地故障，流出直流源的电流同流回直流源的电流不等，两个两个霍尔器件上的电压不等，变频器检测到这种情况，就立刻发出报警信号，实施接地保护，所以接地保护的基本原理，并不是靠出现了较大的接地短路电流来进行保护的。
1、短路保护的工作原理
2、图11-2所示为工作在ＰＷＭ整流状态的Ｈ型桥式ＰＷＭ变换电路（此图为正弦波正半波输入下的等效电路，上半桥的两只ＩＧＢＴ未画出），图11-2为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析（对于三相ＰＷＭ电路，
在整流、逆变工作状态或单相ＤＣ／ＤＣ工作状态下，ＰＷＭ电路的分析过程及结论基本类似）。
在图11-2所示的电路中，在市电电源Ｕｓ的正半周期，将Ｕｇ２.４所示的高频驱动信号加在下半桥两只ＩＧＢＴ的栅极上，得到管压降波形ＵＴ２Ｄ。其工作过程分析如下：在ｔ１～ｔ２时刻，受驱动信号的作用,Ｔ２、Ｔ４导通（实际上是Ｔ２导通, Ｄ４处于续流状态），在Ｕｓ的作用下通过电感ＬＳ的电流增加，在Ｔ２管上形成如图11-2中ＵＴ２Ｄ所示的按指数规律上升的管压降波形，该管压降是通态电流在ＩＧＢＴ导通时的体电阻上产生的压降；在ｔ２～ｔ３时刻，Ｔ２、Ｔ４关断，由于电感ＬＳ中有储能，因此在电感ＬＳ的作用下，二极管Ｄ２、Ｄ４续流，形成图11-3中ＵＴ２.Ｄ的阴影部分所示的管压降波形，以此类推。分析表明，为了能够检测到ＩＧＢＴ导通时的管压降的值，应该将在ｔ１～ｔ２时刻ＩＧＢＴ导通时的管压降保留，而将在ｔ２～ｔ３时刻检测到的ＩＧＢＴ的管压降的值剔除，即将图11-3中ＵＴ２.Ｄ的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于ＩＧＢＴ的开关频率比较高，而且存在较大的开关噪声，因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。
图11-2 IGBT短路保护电路原理图
图11-2
根据以上的分析可知，在正常情况下，ＩＧＢＴ导通时的管压降Ｕｃｅ(ｓａｔ)的值都比较低，通常都小于器件手册给出的数据Ｕｃｅ(ｓａｔ)的额定值。但是，如果Ｈ型桥式变换电路发生故障（如同一侧桥臂上的上下两只ＩＧＢＴ同时导通的“直通”现象），则这时在下管ＩＧＢＴ的Ｃ～Ｅ极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来，就可以作为对I
ＧＢＴ进行保护的依据，从而对ＩＧＢＴ实施有效的保护。
图11—3
２、短路保护电路的设计
由对图11-2所示电路的分析，可以得到ＩＧＢＴ短路保护电路的原理电路图，如图11-2所示。在图11-2所示电路中ＩＣ４及其外围器件构成选通逻辑电路，由ＩＣ５及其外围器件构成滤波及放大电路，ＩＣ２及其外围器件构成门限比较电路，ＩＣ１及其外围器件构成保持电路。正常情况下，Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３的阴极所连接的ＩＣ２Ｄ、ＩＣ２Ｃ及ＣＤ４０１１的输出均为高电平，ＩＣ１的输出状态不会改变。假设由于某种原因，在给Ｔ２发驱动信号的时候，Ｈ型桥式ＰＷＭ变换电路的左半桥下管Ｔ２的管压降异常升高（设电平值为“高”），即Ｔ２－ｄ端电压异常升高，则该高电平ＵＴ２－ｄ通过Ｒ２加在Ｄ８的阴极；同时，发给Ｔ２的高电平驱动信号也加在二极管Ｄ５的阴极。对ＩＣ２Ｃ来说，其反相输入端为高电平，若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话，则ＩＣ２Ｃ输出为“低”。该“低”电平通过Ｄ２加在Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ输入端，使其输出端Ｑ的输出电平翻转，向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。如果是由于右半桥下管Ｔ４的管压降异常升高而引起ＩＣ２Ｄ输出为“低”，则该“低”电平通过Ｄ１加在Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ输入端，使其输出端Ｑ的输出电平翻转，向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。由ＩＣ５Ａ和ＩＣ５Ｃ及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述ＩＧＢＴ管压降的电压信号进行预处理后，送给由ＩＣ５Ｂ构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由Ｒ２２和Ｒ３２确定的门槛电平，则会使Ｒ－Ｓ触发器ＩＣ１的Ｒ端的第三个输入端为“低”，也向控制系统发出ＩＧＢＴ故障报警信号。改变由Ｒ２２和Ｒ３２确定的门槛电平，就可以灵
活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义，从而灵活地设计保护电路。图11-2中的端子Ｔ４－ｄ、Ｔ２－ｄ，分别接在Ｔ４、Ｔ２的集电极上，Ｔ４－Ｇ、Ｔ２－Ｇ分别接ＩＧＢＴ器件Ｔ４、Ｔ２的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是，Ｄ８、Ｄ５、Ｄ
９、Ｄ４必须采用快速恢复二极管。
图11—4
图11—5
３、仿真及实验结果
当图11-2所示的ＰＷＭ变换器工作在单相高频整流模式下，应用ＰＳＰＩＣＥ仿真软件对图11-2所示的电路进行仿真研究，可以得到如图11-3所示的结果。图11-3所示的仿真波形相当于在图11-2电路中ＩＣ５Ｂ的第７脚观察到的信号波形。仿真结果表明，检测电路可以快速、有效地将ＰＷＭ变换器的下管导通时的管压降检测出来。图11-4所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中，１＃通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形，２＃通道显示的是实际检测到的图２电路中ＩＣ５Ｂ的第７脚的工作波形。比较图11-3和图11-4可以得出，该检测电路可以快速、有效地检测出ＩＧＢＴ导通时的管压降，从而对ＩＧＢＴ实施有效的保护。
图11-5所示为ＩＧＢＴ过流时实际检测到的ＰＦＣ电感中流过的电流及保护电路动作的波形。
电路实际运行结果证明，本文介绍的ＩＧＢＴ短路保护电路可以有效地对ＩＧＢＴ实施保护，成本低，动作可靠。实践证明，该电路有比较大的实用价值，尤其是在低直流母线电压的应用场合，该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型３ＫＶＡ高频逆变器中。
四、变频器过流故障分析
变频器中,过电流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了变频器的容许值的情形.由于逆变器件的过载能力较差,所以变频器的过电流保护是至关重要的一环,迄今为止,已发展得十分完善,变频器出现“OVERCURRENT”故障，分析其产生的原因，从两方面来考虑：
（一）外部原因：
1、电机负载突变，引起的冲击过大造成过流。比如电动机遇到冲击负载,或传动机构出现“卡住”现象,引起电动机电流的突然增加；
2、变频器的输出侧短路,如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路,或电动机内部发生短路等.比如电机和电机电缆相间或每相对地的绝缘破坏，造成匝间或相间对地短路，因而导致过流。一台富士变频器启动就跳闸，查其输出侧接触器电缆头部分锈蚀、松动，开机时发生电弧，导致保护动作。
3、过流故障与电机的漏抗，电机电缆的耦合电抗有关，所以选择电机电缆一定按照要求去选。
4、在变频器输出侧有功率因数矫正电容或浪涌吸收装置。
5、当装有测速编码器时，速度反馈信号丢失或非正常时，也会引起过流，检查编码器和其电缆。负载过大也可能引起。如一台西门子M420变频器，由于机械卡死。
6、负载过大也可能引起。如一台西门子M420变频器，由于机械卡死而引起过流报警。
7、
（二）机器本身的原因：
1、参数设定问题：
例如加速时间太短，则变频器输出频率的变化远远超过电机频率的变化；PID调节器的比例P、积分时间I参数不合理，超调过大,造成变频器输出电流振荡等。常见的是升速时过电流当负载的惯性较大，而升速时间又设定得太短时，意味着在升速过程中，变频器的工作效率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大。同理降速中的过电流当负载的惯性较大，而降速时间设定得太短时，也会引起过电流。因为，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负
载的惯性大，仍维持较高的转速，这时同样可以是转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。
依据不同的负载情况相应地调整加速时间，就能消除此故障。
2、变频器硬件问题：检测电路的损坏也会显示过渡报警。其中霍尔传感器受温度、湿度等环境因素的影响，工作点漂移。
A)电流互感器损坏，其现象表现为，变频器主回路送电，当变频器未起动时 ,有电流显示且电流在变化，这样可判断互感器已损坏。
B)主电路接口板电流、电压检测通道被损坏，也会出现过流。电路板损坏可能是：
1)由于环境太差，导电性固体颗粒附着在电路板上，造成静电损坏。或者有腐蚀性气体，使电路被腐蚀。
2)电路板的零电位与机壳连在一起，由于柜体与地角焊接时，强大的电弧，会影响电路板的性能。
3)由于接地不良，电路板的零伏受干扰，也会造成电路板损坏。
C)由于连接插件不紧、不牢。例如电流或电压反馈信号线接触不良，会出现过流故障时有时无的现象。
D)当负载不稳定时，建议使用DTC模式，因为DTC控制速度非常快，每隔25微秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值，再经过电机转矩比较器和磁通比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关位置，这样有制过电流。
另外，速度环的自适应(AUTOTUNE)会自动调整PID参数，从而使变频器输出电机电流平稳。
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