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(cè)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(hào),就要快速封鎖脈沖,保護(hù)IGBT元件。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)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(zhǎng),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(cè)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(cè)方法。目前常用的方法有以下幾種:
1、IGBT vce電壓監(jiān)測(cè)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(hào)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(cè)法來對(duì) IGBT進(jìn)行保護(hù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)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(hào)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(cè)集電極與發(fā)射極之間電壓vce對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)的一個(gè)例子。
圖1:vce電壓監(jiān)測(cè)以及保護(hù)的原理
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(jiǎn)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(duì)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。
圖2:門極電壓檢測(cè)以及保護(hù)原理圖
3、一種新型IGBT元件自損快速檢測(cè)法(即門極電流ig檢測(cè)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(cè)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。
圖4:門極電流檢測(cè)以及保護(hù)原理圖
該方式的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)、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。
圖5:IGBT損壞時(shí)門極電流變化以及檢出
現(xiàn)場(chǎng)改造及效果
原來現(xiàn)場(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)改造。
如果采用vce電壓監(jiān)測(cè)法對(duì)IGBT過電流進(jìn)行保護(hù),雖然比較成熟和常用,但需要對(duì)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(cè)法不適合采用。
采用門極電流ig檢測(cè)法就方便、簡(jiǎn)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(cè)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:改造后的保護(hù)原理圖
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