IGBT元件保護幾種方法以及優(yōu)缺點

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

在傳動裝置系統(tǒng)中，進、出線主回路一般都設置有霍爾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IGBT元件。其優(yōu)點是對負載引起的過流保護效果比較明顯，但缺點是過流檢出到脈沖封鎖的過程時間太長，需要幾個毫秒，而且直流回路的短路也保護不了(實際系統(tǒng)中沒有直流回路電流檢測ct)。因此， 僅靠該保護方式顯然不能滿足IGBT保護的實際要求。

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vge或vce也會升高的這一現象，當vge或vce超過設定允許值時，輸出信號去封鎖IGBT的脈沖。由于vge在發(fā)生故障時變化較小，難以掌握，一般較少使用。而vce的變化較大，因此實際中一般常常采用vce監(jiān)測法來對 IGBT進行保護。這種方法的優(yōu)點是檢測靈敏，動作迅速，有效地避免了并聯(lián)回路IGBT大面積損壞。但這種方法的缺點也比較明顯：需要配線，將每個 IGBT的集電極與發(fā)射極之間的電壓信號引入脈沖驅動板。另外由于IGBT關斷時，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進行保護的一個例子。

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)點是結構簡單，比較實用。缺點是只有當某個IGBT損壞時才能判斷出，對一般的過流不起作用。而且，由于IGBT損壞短路時，因為放大板上電容的作用，門極電壓vce變化緩慢，一般需要經 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IGBT元件損壞時，門極與發(fā)射極之間也被擊穿，但由于結電容的作用，門極電壓變化緩慢。但根據電路理論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確、快速地判斷IGBT是否損壞。一旦檢測到某個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，不會擴大故障范圍。具體原理圖如圖4所示。

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

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


現場改造及效果

原來現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，在某個IGBT損壞時造成其它IGBT大面積損壞，故障損失慘重，必須對現場進行技術改造。

如果采用vce電壓監(jiān)測法對IGBT過電流進行保護，雖然比較成熟和常用，但需要對原變頻器大動干戈，主回路要增加很多接線，脈沖放大板的改動量也較大。同時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保護功能的基礎上進行局部改造，增加IGBT門極電流檢測功能即可。這樣一旦門極導通電流超過設定值，且經過 x微秒左右的延時后，門極電流仍然超過設定值，就判斷該IGBT損壞或異常，立刻發(fā)出所有IGBT脈沖封鎖指令，及時進行有效保護，防止大面積IGBT損壞。

圖6為改造后的保護原理圖，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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