用于风力发电系统的大功率IGBT短路保护的研究
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摘要:1 引言 绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)被广泛用于各类pwm变流器,如ups、变频器、有源电力滤波器等。随着igbt制造工艺的发展,如今,igbt的额定电流和电压已分

1 引言

  绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)被广泛用于各类pwm变流器,如ups、变频器、有源电力滤波器等。随着igbt制造工艺的发展,如今,igbt的额定电流和电压已分别提升到3600a和6500v,由大功率igbt构成的现代化兆瓦级变流器,广泛出现在各类工业应用当中,尤其是近年来,随着新能源发电技术的发展,中大功率igbt得到了更为广泛的应用。随着变流器容量的提升,变流器在整个系统的成本以及可靠性中所占的比重日益增大,因此,兆瓦级变流器的可靠性成为广泛关注的问题。

  本文针对igbt变流器中的短路故障问题,详细分析了igbt的短路特性,总结了各种短路电流检测方法,提出一种有效的有源短路保护方法,通过实验证明了其有效性。

2 短路时igbt失效的原因

  短路故障是电力电子装置中常见的故障之一。电机绕组绝缘击穿、电机电缆绝缘击穿、误操作、驱动指令错误、不足的死区时间,都会造成短路故障的发生。

  通常,igbt短路故障致使igbt损坏的原因主要有以下三种。总的来说,这三种原因都可以归结为器件中硅材料或焊接导线的热效应所引起。

  (1)超出硅材料的热极限

  短路过程中,igbt承受整个vdc电压,同时ic为正常电流的若干倍。igbt将承受远大于正常运行状态下的损耗,从而使得igbt的结温迅速升高[2]。如果结温超过了允许的最高结温,igbt将因热积累作用失去阻断能力[1]。vce将迅速降低,随后整个器件完全损坏。通常,igbt生产厂家都会保证在特定情况下10s的短路耐受时间。

  (2)igbt擎住效应

  在igbt中存在一个寄生的npn三极管,正常运行情况下,这个npn三极管被扩散电阻旁路,不会开通[1]。然而,在ic很大的情况下,例如短路发生时,这个npn三极管将开通,这样igbt门极将失去对igbt的控制力。最终,igbt将因为过大的电流使芯片和焊接导线上产生过大的损耗而损坏。

  (3)vce过电压

  在保护电路控制igbt主动关断由于短路引起的大电流时,由于分布电感的存在会产生vce过电压,vce超过了特定的限制。igbt将因雪崩击穿而损坏;与短路电流相等的ic将集中于一块很窄的硅上从而产生一个高温的热点,因此,igbt失去它的阻断能力,并在几十ns内失去电压。为了防止由于这类原因造成igbt失效,除了主回路的分布电感应尽可能地小[4],还需要一种带有vce控制的门极驱动器。

3 短路故障的关断过电压

  通常情况下,igbt短路故障被分为两类,开通短路(hsf)和通态短路(ful)。

  开通短路是指负载短路发生在igbt开通过程中,如图1a)所示。igbt在t1时刻开始开通,ic迅速升高!dic/dt由门极驱动电路的特性和igbt的跨导决定。vce先下降,很短时间后重新开始上升,稳态时,vce略低于igbt断态电压直流侧电压vdc。

  通态短路是指在igbt已经开通进入稳定导通状态之后,负载发生短路,如图1b)所示。短路发生后,ic上升,dic/dt由短路阻抗和直流侧电压vdc决定。当ic升高至由门极电压vge和igbt跨导所决定的稳态最大电流后,igbt将退出饱和区,vce开始升高。vce的升高将通过米勒电容cgc耦合一个电流对igbt门极进行充电,从而使得vge升高。vge的升高将使得ic继续增大,从而使得ic表现出很大的过冲,这将导致igbt擎住现象发生甚至毁坏。

  仔细观察图1中vce曲线,可以发现,在短路过程中,vce出现两次过冲。第一次过冲是因为igbt自身的限流作用,第二次是因为人为的igbt关断指令。通常,第二次电压过冲是很高的,如果没有进行妥善的处理,可能造成igbt因为vce过电压而损坏。本文主要针对解决此问题,从门极驱动器的角度,展示了一种解决方法,保护igbt免于由于此类故障损坏。

  igbt关断过电压是存储在主回路分布电感中的能量重新分配的结果,无论何时,只要流经igbt、母排、直流侧电容的电流发生换向,关断过电压都将出现。在如图2所示的等效电路图中,可得vce如下:

  

  其中,lq包括了母排中的电感,直流侧电容中的等效串联电感以及igbt封装中的电感。vdfy表示反并联二极管的正向恢复电压,通常为10到50v[3]。

  为了保证vce在igbt的额定范围以内换流电流变化率必须满足下式。

  

4 短路时关断过电压的抑制方法

  4.1 传统保护方法

  传统igbt驱动器的控制框图如图3所示。正常运行时,igbt经rg_on开通,经rg_off关断。当短路或过流故障发生时,为了限制关断过电压,igbt经阻值较大的电阻rg_fault关断。这将使vge缓慢下降,从而消除显著的关断过电压。然而,这是一种开环的控制方法,无法完全保证igbt在任何情况下都能够安全的关断。同时,任何短路检测方法都需要一定的检测时间,如果igbt关断信号在短路故障检测出之前使能,igbt将经rg_off关断,这样一来,igbt损坏将不可避免。

  4.2 有源电压箝位技术

  对于传统驱动器中存在的问题,本文中使用一种被称为有源电压箝位技术的方法[3],设计了一种闭环的保护驱动电路,如图4所示。

  图4中z为瞬态抑制二极管,瞬态抑制二极管为一种瞬态冲击电压保护器件,反应时间可以达到ns级。相比压敏电阻,其反应速度快,然而瞬态容量和稳态容量都远小于压敏电阻。

  在检测到短路故障之后,igbt经rg_fault关断,当vce升高至瞬态抑制二极管的击穿电压时,电流通过瞬态抑制二极管向igbt门极充电,提升igbt的门极电压vge,随着vce的继续升高,流过瞬态抑制二极管的电流将增大,从而动态的改变dic/dt,实现了关于vce的闭环保护。

5 实验结果

  实验的等效电路图如图2所示。验证性实验使用一只infineon公司的半桥igbt模块ff450r17me3作为功率开关,9只低感薄膜电容每只225f/1200v组成直流侧电容,功率开关与直流侧电容通过基于印刷电路板的叠形母排连接,以保证较低的主回路分布电感。ff450r17me3为采用infineon公司第三代igbt芯片技术,具有更低的导通压降,更快的开关速度,同时,采用了新的econodual封装模式,保证了igbt封装内部更低的分布电感。

  驱动板采用infineon的1700v igbt驱动器2ed300c17 作为核心器件,提供良好的隔离和两路隔离的正负30a的峰值驱动电流能力,以及过流保护、欠压保护等。通过实时检测导通时的vce电压,能够快速判定短路故障,及时控制门极电平,实现igbt的软关断。其故障状态下的软关断功能和有源电压箝位功能共同作用,有效地抑制了在故障状态下关断igbt时产生的高di/dt,降低了igbt两端的关断过电压,保证在最严重的的短路下实现安全有效的保护。

  在vdc=1200v下进行了短路试验,试验波形如图6所示。可见,在关断开通短路电流和通态短路电流时,vcemax被可靠地箝位在1350v,小于vces(1700v),使igbt工作于安全工作区间内,有效地保护了igbt,所采用的有源电压箝位技术达到了预期的效果。

6 结束语

  本文针对高压大容量igbt的短路故障,分析了igbt的短路特性,基于已有的igbt驱动器和有源电压箝位技术,设计了一种闭环控制igbt关断过电压的驱动电路。通过实验证明,这种电路可以提高igbt短路保护的可靠性。

作者:admin 来源:未知 发布于2019-08-12 10:54
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