大功率电压型逆变器新型组合式IGBT过流保护方案以及大功率弧焊逆变电源的IGBT保护技术 - 变流、电压变换、逆变电路
弧焊逆变电源广泛应用于造船、机械、汽车、电力、化工、石油、轻工业、航天、国防工业等部门。近年来大功率电力电子器件IGBT以其独特的优点受到众多厂家的青睐，并逐步应用于现代弧焊逆变电源中。然而弧焊逆变电源工作环境恶劣，其负载决定了其工作电流变化剧烈，如果我们对IGBT性能和特点存在模糊认识并且在控制方法和保护技术等方面未采取有效的措施，则很有可能会损坏IGBT，从而使人们开始怀疑IGBT的质量是否真正符合资料上所列出的各项参数。本文针对以上问题介绍了一种应用电路硬件保护和单片机控制程序保护相结合的方法来对IGBT进行有效的保护。
有关大功率IGBT驱动过流保护电路设计和IGBT高压大功率驱动应用及原理，更多关于IGBT方案请咨询上海工品实业有限公司。
1 引 言
2．IGBT 的工作原理
2.1 IGBT结构
IGBT结构上与MOSFET十分相似，只是多了一个
层，引出作为发射极，栅极、集电极与MOSFET完全相似。其简化等效电路如图1所示。
图1
IGBT的工作原理：IGBT由栅极电压正负来控制。当加上正栅极电压时，绝缘栅下形成沟道，MOSFET导通，相当于
接到E，为PNP晶体管提供了流动的基极电流，从而使PNP管（即整个IGBT）导通。当加上负栅极电压时，IGBT工作过程相反，形成关断。
2.2 IGBT安全工作区
在IGBT开关过程中，大电流和大电压的重叠造成主要的功耗，同时承受较高的di/dt和dv/dt即电流电压应力。特别是运行在PWM硬开关状态下，这是影响可靠性的重要原因。为了保证其安全可靠的工作，不仅有电流电压的限制，还必需使其动态过程的运行轨迹在安全工作区内。如图2所示，正偏安全工作区FBSOA是指栅极加正向电压时的安全工作区，对应于导通状态。三条边界分别对应允许电流、允许电压和允许功耗。随着导通时间增长，功耗和温升增加，安全工作区缩小。
IGBT关断时为反向偏置，对应安全工作区为反偏安全工作区RBSOA。除了电流电压边界外，另一边界为器件关断后的重加电压上升率。因此，电压变化率越大，安全工作区越小。实际上，这就是因为IGBT动态擎住效应的限制的缘故。所以在弧焊逆变电源的设计中，限制过电流和过电压、改善器件的运行特性以及降低功耗，都有重要的意义。在不同的工作状态下，保证IGBT在安全工作范围内并处于较好状态下，是提高整机可靠性的关键技术。
3．IGBT的保护措施
由于其结构和安全工作区知IGBT的可靠与否主要由以下因素决定：
1、栅极与发射极电压
2、集电极与发射极电压
3、流过集电极的电流
4、IGBT的结温
以上的四个因素在工作环境恶劣的弧焊逆变电源中都是需要注意的，尤其是第二项和第三项是我们在设计保护电路中重点考虑的内容。
3.1 IGBT栅极的保护
IGBT的栅极－发射极驱动电压 
的保证电压为 
，因此在IGBT的驱动电路应当设置栅极压限幅电路；另外由于焊接电源设备工作环境非常恶劣，在运输或振动过程中可能会使栅极回路断开，这时如果电源设备开始工作，则随着集电极电位的变化，由于栅极与与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极－发射极间有电流流过。这时若集电极和发射极处于高压状态时，会使IGBT发热，极易引起IGBT损坏。为防止此类情况发生，可在IGBT的栅极与发射极间并接一只 
的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发身极。如图3所示。
图3
3.2 集电极与发射极的过压保护
有关大功率IGBT驱动过流保护电路设计和IGBT高压大功率驱动应用及原理，更多关于IGBT方案请咨询上海工品实业有限公司。弧焊逆变电源进入焊接状态时，输出端即从空载转入接近短路状态，这时要求输出电流必须处于所需要的恒定状态。理论上，采用恒流闭环控制系统即可以控制电源的短路电流，但实际短路时，输出电压很低，即IGBT的工作脉宽很窄，才能保证输出电流恒定，这就造成了IGBT在很短的导通期间，吸收电容未分放电而马上关断，且因分布电感和漏感的影响，IGBT的关断是在承受较高的反压下进行的，极易使IGBT损坏，为了使IGBT 关断过电压能得到有效的抑制并减少关断损耗，需要给IGBT主电路设置关断缓冲吸收电路。IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型，从吸收过电压的能力上来说，充放电型效果较好，所以可在弧焊逆变电源中的IGBT过压保护缓冲电路可采用图4所示缓冲吸收电路：
图4
在此硬件电路的基础上，结合单片机的控制系统可检测输出电压低于某一设定值时，单片机便认为负载电弧是处于短路状态，这时单片机便对IGBT的最小脉冲宽度进行限制，以保证吸收电容有足够的放电时间，从而降低IGBT的关断反向电压。同时为保证输出电流恒定，单片机在判断输出为短路时将逆变器的等脉冲宽度调节（PWM）变为频率调节控制（PFM），即脉冲分频控制，输出电压越低，输出脉冲的频率越低。其单片机程序过程如图5所示：
这与传统的简单限流或直接关闭IGBT的控制方式有本质的区别，它是利用单片机的智能性改变其工作方式来保护IGBT的安全，从而可靠的保证IGBT的安全。
3.3 过流保护
过流对IGBT来说，是产生原因最复杂、发生次数最多、损坏概率最高的事件，也是国内弧焊逆变电源容易损坏的主要原因。IGBT正常工作时，导通期间的电流包括开通时的尖峰、折算到原边的焊接电流和关断时的拖尾电流。在设计IGBT的过流保护时，主要可采取以下三条措施：首先选择IGBT器件时，使其最大工作电流只占IGBT 
的30%左右，其目的就是要使IGBT的安全工作区尽可能在一些，以避免IGBT的擎住效应；其次针对元器件失效等偶发性故障，如输出失控、IGBT损坏、功率变压器击穿、短路、高频整流快恢复二极管损坏引起的过电流行为，应设计保护电路为立即保护型。即保护电路动作后，切断供电电源，停止逆变电源工作；最后，对元器件并没有失效，而是由于某种其它原因如负载突然加大造成的过流，可尝试采用一种慢降栅压的电路来实现如图6：
图6
正常工作时，因故障检测二极管
的导通，将a点的电压钳位在稳压二极管
的击穿电压以下，晶体管
始终保持截止状态。当电路发生过流或短路故障时，
上的
上升，a电压随之上升，到一定值时，
击穿，
通，b点电压下降，电容
通过电阻
充电，电容电压从零开始上升，当电容电压上升约1.4V时，晶体管
开通，栅极电压
随电容电压的上升而下降，通过调节
的数值，可控制电容的充电速度，进而控制
的下降速度；当电容电压上升到稳压二极管
的击穿电压时，
击穿，
被钳位在一固定的数值上，慢降栅压过程结束，同时驱动电路通过光耦输出过流信号传送至单片机，此时单片机发出声光报警并开始运行延时程序。如果在单片机的延时过程中，故障信号消失了，则a点电压降低，
恢复载止，
通过
放电，d点电压升高，
也恢复截止，
上升，电路恢复正常工作状态，单片机自动进行复位。如果单片机在延时结束后，故障信号仍存在则由单片机切断所有IGBT的输入脉冲，设备停止工作，此时要通过手动复位才能恢复正常工作。这种电路既能保护逆变电路和IGBT的安全，又不会在瞬时过流时中断逆变电源工作所以是一种非常有效的保护方式。
3.4 过热保护
在焊接工作时由于工作环境恶劣，流过IGBT电流很大，并且开关频率较高，所以器件的损耗也较大，如果热量不能及时散掉，使结温 
超过 
，则会引起IGBT的损坏，在热设计时还要考虑在短路和过载时，IGBT也不能过热而损坏。适当加大散热系统是保护焊接电源正常工作的必要条件，但由于散热系统不可能无限制扩大，所以要在靠近IGBT处安装一温度继电器来检测IGBT的工作温度。当温度超过所设定的最高温度时切断IGBT的输入，保护其安全。
4 结语
本文介绍了利用硬件保护电路并结合单片机的程序对弧焊逆变电源中IGBT进行保护的方法和措施。该方法不仅从硬件电路上设计了可靠的保护电路，而且还利用单片机的程序来对设备工作状态进行判断后选择工作方式来间接对IGBT进行保护，这样不仅保护了IGBT的安全还保证了该电源即使在恶劣的环境的中也能可靠稳定的工作。所以在实际应用中只要我们考虑到IGBT的不同容量、型号并参考以上方法采取相应的保护措施就可以达到满意的效果。
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、输入阻抗大、驱 动功率小、开关损耗低及工作频率高等特点， 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 保护电路的设计。专用驱动模块都带有过流保 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 时过电流保护信号，通过触发器时序逻辑电路 的记忆功能，构成记忆锁定保护电路，以避免 保护电路在过流时的频繁动作，实现可取的过 流保护。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保护电路 结构。
2IGBT失效原因和保护方法
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，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，栅极控制 就无法保护，从而导致IGBT失效[1]。实际 运行时，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。IGBT为PNPN4层结构，其等效电路如图1所示。 体内存在一个寄生晶闸管，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，这个正偏置 电压不大，对NPN晶体管不起任何作用。当集电 极电流增大到一定程度时，该正向电压足以使 NPN晶体管开通，进而使NPN和PNP晶体管处于饱和状 态。于是，寄生晶闸管导通，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，集电极电流增大，产 生过高功耗，导致器件失效。动态擎住效应主 要是在器件高速关断时电流下降太快，dvCE/dt很 大，引起较大位移电流，流过Rs，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]。
<palign="center"></palign="center">
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、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。这种瞬 态过电流虽然持续时间较短，但如果不采取措 施，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 。
5）过电压造成栅极?发射极击穿。
2．2IGBT保护方法
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保护环节。一般的检测 方法分为电流传感器和IGBT欠饱和式保护。
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，保护动作封锁所有桥臂的驱动信号。这 种保护方法最直接，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。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，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。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，当IGBT关 断时，di/dt也减小。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，增大vCES，限制过电 流幅值，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。<palign="center"></palign="center">
3整流拉逆变式组合保护方案
3．1逆变部分保护
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，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，立刻封锁两路输出 ，如图3所示。<palign="center"></palign="center">
<palign="left"></palign="left"> 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；或由于控制电路，驱动 电路的故障，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，副边短路的情况。
3）逆变器输出直接短路
图4给出了保护电路框图。直通保护 电路必须有非常快的速度，在一般情况下，如 果IGBT的额定参数选择合理，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，是 短路保护检测的最佳选择。比较器用LM319，检测 值与设定值比较，一旦超过，马上输出保护信 号封锁驱动。同时用触发器构成记忆锁定保护 电路，以避免保护电路在过流时的频繁动作。 外接的复位电路也不可缺少。
<palign="center"></palign="center">
3．2整流部分保护
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。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，则电感中的能量将向电容释放，在逆变 保护动作瞬间电容将承受一个很高的过冲电压 ，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，L中储能很大时，更 加危险。
<palign="center"></palign="center">
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。图6给出了等效电路，L与C串联谐振，由 于整流桥电流只能单向流通，所以振荡到T/4时 结束。
<palign="center"></palign="center">
<palign="left"></palign="left">
可见在谐振到1/4周期时，电容上的 电压达到最大值，之后谐振停止 。
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时让逆变瞬间在保护信号下关断， 母线电压突然上升到近450V。针对此种现象，采 用在保护动作的同时将整流电路拉到逆变工作 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。
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保护方 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 种保护方法并不直接针对IGBT，而是将前级整流 输入关断，故障时IGBT仍处于工作状态。这属于 “软保护”，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
这种保护方案已成功地应用 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。试验中发现，不论对于负载短路， 变压器击穿引起的过流，还是输入电压过高引 起的过流都能很好地保护逆变器不受损坏。
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。在对 IGBT直通保护时还要考虑到关断逆变器对前级电 路的影响。本文所介绍的整流逆变同时保护的 方案可以可靠保护整个逆变器，并在实践中取 得了良好的效果。
有关大功率IGBT驱动过流保护电路设计和IGBT高压大功率驱动应用及原理，更多关于IGBT方案请咨询上海工品实业有限公司。
