[IGBT的过电压保护及其缓冲电路的研究] 电路过电流过电压保护
时间：2019-01-21 03:27:56 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要:本文给出了斩波电路中缓冲电路的模型,对其工作原理和过程进行了讨论和研究,同时分析了缓冲电路对于各元器件的参数要求,给出了相应的计算公式,并以此作为器件参数选择的依据;另外,本文最后还指出了缓冲电路安装过程中所应注意的问题。
关键词:IGBT;过电压保护;缓冲电路;参数选择
引言:随着电力电子技术的飞速发展,IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为一种全控型开关器件,以其优越的性能――控制电路简单、开关频率高、容量大――在高压大功率电路中逐步取代了传统的SCR而获得了极为广泛的应用。由于IGBT开关速率比较高,易在器件两端产生较高的du/dt和尖峰电压Upk,从而危害器件,降低其寿命,更有可能因此而引发故障。所以,需要在电路中加装缓冲电路。常用的缓冲电路主要有:电容缓冲电路、RC阻容缓冲电路、RCD缓冲电路、充放电型RCD缓冲电路、放电阻止型缓冲电路等。选用缓冲电路的种类需要综合考量多种因素来确定。通常,在低频小功率情况下,电容吸收电路就可以满足性能要求,但若随着功率的进一步提高,电容会与电路中的寄生电感发生谐振。而RCD的应用则相当广泛,除了它能满足系统要求以外,还能在一定程度上抑制谐振,同时相对于放电阻止型吸收电路来说成本又较低。关于放电阻止型吸收电路,其在工作过程中产生的损耗(主要发生在缓冲电阻上)较小,于高频大功率条件下最为适用。
一、缓冲电路的工作过程及相应参数计算
在分析中作以下假定:①二极管、IGBT均为理想器件,通态压降为零;②电容纯容性、电感纯感性,当中不含电阻。
1、换流过程。换流前初始状态分析:VD0、VD1、VD2处于截止状态;电流流经L1、IGBT形成回路,并且在这一过程中保持恒值;
图2应用于斩波电路中的缓冲电路
当IGBT接收到关断信号后开始关断,这一时刻记为t=0。在关断过程中,Il开始分流,即一部分流过正在关断的IGBT,另一部分开始通过VD1向Cs充电,设充电电流为Is,此时有:
Il=ia+i
当t=t2时,IGBT实现关断后,此时得到第一个尖峰电压:
2、谐振阶段。上述换流阶段结束之后,IGBT实现完全关断,即it=0接下来,Cs继续由电源向其充电,两端电压继续升高。当升至uCS=Ud时,VD0开始承受正向偏置电压,处于导通状态,il则通过VD0续流。系统中的杂散电感与电容Cs发生谐振,而VDs仍处于导通状态,电感中的能量全部转移至电容中去,此时,is=0并且可以得到第二个尖峰电压:
其中吸收电路欲实现对IGBT的保护作用,Cs的选择:
3、电容Cs放电阶段。待谐振过程完成之后,VDs实现截止,Cs便开始通过电源、L1、Rs放电。放电开始时,Cs两端电压为:U1=Upk2。放电结束后,Cs两端电压稳定在Ud,即:U2=Ud。这中间Cs上的能量损失了,这些能量认为全部消耗在Rs上,所以,Rs在一个工作周期内所消耗的能量是:WS=WC,其功率损耗为:PS=WSfW但是我们也必须注意到,在实际工作工程中,负载也吸收了一部分能量,所以,一个工作周期内Rs上消耗的能量小于。至于Rs参数的选取,应该来说,并没有什么特殊的要求,只要保证:①Rs的功率满足要求,不至于在泄放过程中烧掉;②IGBT的最小工作周期内Cs上的电流可以泄放至Ud。在使用RCD缓冲电路的三相交流电路中:
而若是用放电阻止型缓冲电路,则:
通常,Rs的阻值选的要小一些。
4、快恢复二极管VDs的选择
在吸收电路中,VDs的额定电压应与被保护的IGBT的额定电压电压相当,电流峰值应与IGBT的峰值相同,但由于保护电路作用时间很短,通常取IGBT额定电流的1/20左右即可。在大功率高频工作时,VDs回路中应串入一个阻值较小的电阻以减少VDs的电流损耗。
二、电路布线及安装吸收电路时应注意的问题
在安装缓冲电路时,应尽量减少电路中的杂散电感的出现。对于母线进线材质,可以选用铜排,这样能减少电路的杂散电感,或者采用紧缩布线方式,还可以将吸收电路回路集成在一块印刷电路板上,以减少回路的杂散电感,
作者单位:中国矿业大学(南湖校区)
参考文献:
[1]田健,郭会军等.大功率IGBT瞬态保护研究.电力电子技术.2004(4).
[2]赵正毅,魏念荣等.一般缓冲电路的模型及三电平 IGBT变流器内外元件电压不平衡机理.中国电机工程学报.2000(6).
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