IGBT元件保護(hù)幾種方法以及優(yōu)缺點(diǎn)

由于 IGBT元件電流、電壓能力的限制，在實(shí)際使用的大容量傳動(dòng)裝置系統(tǒng)中，往往采用多并聯(lián)形式。如果發(fā)生某個(gè)IGBT元件擊穿等短路故障時(shí)，若不及時(shí)快速封鎖IGBT脈沖，就可能導(dǎo)致并聯(lián)回路中大量IGBT損壞，擴(kuò)大故障范圍。

在傳動(dòng)裝置系統(tǒng)中，進(jìn)、出線主回路一般都設(shè)置有霍爾ct，用于檢測主回路電流，并通過主控板的硬件和軟件來處理、判斷過流情況。如果發(fā)出重故障跳閘信號，就要快速封鎖脈沖，保護(hù)IGBT元件。其優(yōu)點(diǎn)是對負(fù)載引起的過流保護(hù)效果比較明顯，但缺點(diǎn)是過流檢出到脈沖封鎖的過程時(shí)間太長，需要幾個(gè)毫秒，而且直流回路的短路也保護(hù)不了(實(shí)際系統(tǒng)中沒有直流回路電流檢測ct)。因此， 僅靠該保護(hù)方式顯然不能滿足IGBT保護(hù)的實(shí)際要求。

為此，還必須采取其它的快速檢測方法。目前常用的方法有以下幾種：

1、IGBT vce電壓監(jiān)測法

這是比較常用的方法。利用集電極電流ic升高時(shí)vge或vce也會(huì)升高的這一現(xiàn)象，當(dāng)vge或vce超過設(shè)定允許值時(shí)，輸出信號去封鎖IGBT的脈沖。由于vge在發(fā)生故障時(shí)變化較小，難以掌握，一般較少使用。而vce的變化較大，因此實(shí)際中一般常常采用vce監(jiān)測法來對 IGBT進(jìn)行保護(hù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏，動(dòng)作迅速，有效地避免了并聯(lián)回路IGBT大面積損壞。但這種方法的缺點(diǎn)也比較明顯：需要配線，將每個(gè) IGBT的集電極與發(fā)射極之間的電壓信號引入脈沖驅(qū)動(dòng)板。另外由于IGBT關(guān)斷時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的電壓比較高，需要增加脈沖放大板相應(yīng)的絕緣與電位 隔離措施。圖1是利用檢測集電極與發(fā)射極之間電壓vce對IGBT進(jìn)行保護(hù)的一個(gè)例子。

2、IGBT門極電壓fb監(jiān)控法

通過監(jiān)控IGBT元件的門極電壓vge來判斷IGBT元 件是否損壞。如果判斷出IGBT元件損壞，立即快速封鎖傳動(dòng)裝置中的所有IGBT元件，其原理如圖2所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，比較實(shí)用。缺點(diǎn)是只有當(dāng)某個(gè)IGBT損壞時(shí)才能判斷出，對一般的過流不起作用。而且，由于IGBT損壞短路時(shí)，因?yàn)榉糯蟀迳想娙莸淖饔?，門極電壓vce變化緩慢，一般需要經(jīng) 過1ms左右的延遲才能正確判斷和封鎖脈沖，如圖3所示。在這期間，并聯(lián)回路大量IGBT就可能受到損害，擴(kuò)大了故障范圍。

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3、一種新型IGBT元件自損快速檢測法(即門極電流ig檢測法)

當(dāng)IGBT元件損壞時(shí)，門極與發(fā)射極之間也被擊穿，但由于結(jié)電容的作用，門極電壓變化緩慢。但根據(jù)電路理論i=cdu/dt可知，門極電流ig變化比門 極電壓vge快得多。因此，可以綜合IGBT的門極脈沖指令與門極電流來準(zhǔn)確、快速地判斷IGBT是否損壞。一旦檢測到某個(gè)IGBT損壞，立即封鎖 IGBT脈沖指令，能完全避免并聯(lián)回路大量IGBT損壞，不會(huì)擴(kuò)大故障范圍。具體原理圖如圖4所示。

IGBT元件正常時(shí)，當(dāng)門極電壓給定信號從on切換成off后，IGBT門極電流ig數(shù)值比較小，具體數(shù)值與IGBT元件有關(guān)，我們已經(jīng)掌握了 三菱3.3kv/1.2ka大容量IGBT的電流數(shù)值以及延時(shí)時(shí)間。IGBT損壞時(shí)門極電流變化以及檢出如圖5所示。當(dāng)檢測出IGBT有異常時(shí)，立即發(fā)出 脈沖封鎖命令，防止故障擴(kuò)大化。

該方式的優(yōu)點(diǎn)是檢測、封鎖時(shí)間極短，只有幾個(gè)微秒，能完全避免IGBT大面積損壞。缺點(diǎn)是在IGBT導(dǎo)通工作時(shí)，無法判斷其是否異常，只有在 IGBT off指令發(fā)出時(shí)才可以判斷IGBT是否自損壞。


現(xiàn)場改造及效果

原來現(xiàn)場變頻器中采用的是門極電壓fb監(jiān)控法。由于脈沖封鎖無法快速及時(shí)，在某個(gè)IGBT損壞時(shí)造成其它IGBT大面積損壞，故障損失慘重，必須對現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)改造。

如果采用vce電壓監(jiān)測法對IGBT過電流進(jìn)行保護(hù)，雖然比較成熟和常用，但需要對原變頻器大動(dòng)干戈，主回路要增加很多接線，脈沖放大板的改動(dòng)量也較大。同時(shí)由于原變頻器沒有太多空間來布線及采取絕緣措施，無論從改造工作量和成本上都不太可行。所以vce電壓監(jiān)測法不適合采用。

采用門極電流ig檢測法就方便、簡單許多。只要在原變頻器IGBT保護(hù)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改造，增加IGBT門極電流檢測功能即可。這樣一旦門極導(dǎo)通電流超過設(shè)定值，且經(jīng)過 x微秒左右的延時(shí)后，門極電流仍然超過設(shè)定值，就判斷該IGBT損壞或異常，立刻發(fā)出所有IGBT脈沖封鎖指令，及時(shí)進(jìn)行有效保護(hù)，防止大面積IGBT損壞。

圖6為改造后的保護(hù)原理圖，其中灰色部分是新增的門極電流ig檢測功能部分。

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