IGBT保護的方式到底有哪些？

圖 1 一個典型的逆變器拓?fù)?/strong>

上圖是一個典型的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個圖里面我們直接給出了經(jīng)過直流母線之后的主電路拓?fù)?，這個逆變器的工作典型流程是這樣的：

首先主接觸器接受控制命令吸合之后，母線電壓通過預(yù)充電電阻、二極管VD201給電容充電。后端電壓傳感器檢測電容電壓達(dá)到一定值之后預(yù)充電接觸器吸合短接預(yù)充電電阻母線電壓正常接入主回路母線電壓正常，逆變器開始工作

上面簡單的梳理了一下逆變器正常工作的動作順序。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一切都是從保護核心器件IGBT出發(fā)的，現(xiàn)在我們簡要的梳理一下IGBT保護的方式到底有那些。

主回路保護

圖 2 主回路前級保護

上圖中熔斷器FU201是主回路的第一個保護原件，我們知道在IGBT發(fā)生短路的時候會瞬間產(chǎn)生很高的短路電流，此時短路電流超過熔斷器能夠承受的最大電流，熔斷器斷開主回路切斷，避免因為短路造成更大的破壞。

圖 3 預(yù)充電保護

上圖中預(yù)充電電阻R201是主回路的第二重保護，在主接觸器吸合后首先要給中間的支撐電容充電，此時如果直接短接預(yù)充電接觸器會產(chǎn)生瞬間非常高的充電電流，此時如果直接短接預(yù)充電電阻則這個電流會直接施加到熔斷器上，會直接導(dǎo)致熔斷器因為過流而熔斷，所以此時通過一個預(yù)充電電阻來給后端的支撐電容充電，等支撐電容電壓達(dá)到母線電壓的90%的時候接通預(yù)充電接觸器短接預(yù)充電電阻接入母線電壓。

圖 4 支撐電容

在上圖中支撐電容是對IGBT的第三重保護，此處支撐電容一般都會與電阻并聯(lián)行程一個“網(wǎng)絡(luò)”電阻一般都是參數(shù)相同的電阻，電容也是參數(shù)相同的同批次電容這樣做有以下好處：

1.在逆變電路中主要是對整流器的輸出電壓進行平滑濾波。

2.吸收來自于逆變器向母線索取的高幅值脈動電流，阻止其在母線的阻抗上產(chǎn)生高幅值脈動電壓，使直流母線上的電壓波動保持在允許范圍。

3.防止來自于母線的電壓過沖和瞬時過電壓對IGBT的影響。

以上是主回路部分對IGBT保護，因為IGBT是一個高頻的開關(guān)器件，因此也要從IGBT的外圍電路來著手。

IGBT器件直接保護

上圖我們總結(jié)了導(dǎo)致IGBT損害的原因，分別有電流超限、電壓超限、溫度超限和溫度循環(huán)沖擊、震動等等因素，既然上述因素能夠?qū)е翴GBT的損壞那么我們在設(shè)計一個具體的電路的時候必然要從預(yù)防上述因素來著手。

圖 5 IGBT損壞歸因

如上圖所示在驅(qū)動電路中我們經(jīng)常能夠看到類似的電路，該電路實現(xiàn)了門極箝位：用肖特基二極管和電源電壓將Vge限在15V，限制短路電流。

如上圖所示，驅(qū)動電路中經(jīng)常會用到類似的電路結(jié)構(gòu)稱為有源箝位：主要通過檢測Vce，延緩IGBT關(guān)斷，進而限制di/dt和電壓尖峰。

圖 6 門極箝位

在發(fā)生短路情況時，后端比較器檢測到短路之后驅(qū)動模塊輸出較高阻抗，等效于很大的門極電阻值，限制di/dt和電壓尖峰。實現(xiàn)對IGBT的軟關(guān)斷。

以上從驅(qū)動部分介紹了IGBT的幾個保護電路，實際應(yīng)用中這些電路都有用到，但不一定在每一個案例中都會同時出現(xiàn)，具體采用何種保護模式與實際應(yīng)用的功率有很大的關(guān)系，比如在一些小功率的應(yīng)用中對驅(qū)動保護部分的考慮肯定就相對要簡單一些，在實際功率比較大的應(yīng)用中考慮的情況就更復(fù)雜。