IGBT短路保护电路优化设计

1.检测短路时V_CE增大构成的短路保护电路

图5-20所示为采用IGBT过电流时V_CE增大的原理构成的保护电路，电路采用IGBT专用驱动器EXB841。EXB841内部电路能很好地完成降栅及软关断功能，并具有内部延迟功能，以消除干扰产生的误动作。如果发生短路，含有IGBT过电流信息的V_CE不直接送至EXB841的IGBT集电极电压监视脚6上，而是快速关断快速恢复二极管VD1，使比较器IC1（LM339）的V+电压大于V-电压，比较器输出高电平，由VD2送至EXB841的6脚，启动EXB841内部电路中的降栅压及软关断电路，低速切断电路慢速关断IGBT，既避免了集电极电流尖峰损坏IGBT，又完成了IGBT短路保护。该电路的特点是，消除了由VD1正向压降随电流不同而引起关断速度不同的差异，提高了电流检测的准确性，同时，由于直接利用EXB841内部电路中的降栅压及软关断功能，整体电路简单可靠。

图5-20 采用IGBT过电流时V_CE增大的原理进行保护

2.电流互感器检测IGBT过电流的短路保护电路

图5-21所示为利用电流传感器进行过电流检测的IGBT保护电路，电流传感器（SC）一次绕组串接在IGBT的集电极电路中，二次侧感应的过电流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端，与反相端的基准电压进行比较，IC1的输出送至具有正反馈的比较器IC2，其输出接至EXB841的6脚。不过电流时，V_A＜V_ref，V_B=0.2V，V_C＜V_ref，IC2输出低电平，PWM控制器正常工作。当出现过电流时，电流互感器检测到的过电流信号反应为整流后电压将升高，而使V_A＞V_ref，V_B为高电平，此时由R₁给C₃充电，经一定的延时后，V_C将大于V_ref，IC2输出高电平，EXB841保护电路工作，使IGBT降栅压软关断。IGBT关闭后，电流互感器一次侧无电流流过，使V_A又小于V_ref，V_B又回到0.2V左右，C₃经R₁放电，当V_C＜V_ref时，IC₂输出低电平，电路重新进入工作状态。如果过电流继续存在，保护电路又恢复到原来的限流保护工作状态，反复循环使EXB841的输出驱动波形处于间隔输出状态，使IGBT输出电流有效值减小，达到保护IGBT的目的。电位器RP1用于调整IC1比较器过电流动作阈值。电容器C₃可经VD5和R₅快速充电，经R₁慢速放电，只要合理地选择R₁、R₅和C₃的参数，可实现EXB841比较快关闭IGBT而较慢恢复IGBT。正反馈电阻R₇保证IC2比较器具有迟滞特性和R₁和C₃充放电电路一起，保证IC2输出不至于在高、低电平之间频繁变化，使IGBT频繁导通、关断而损坏，以提高了电路的可靠性。

图5-21 利用电流传感器进行过电流检测的IGBT保护电路

a）电路原理图 b）PWM控制电路的输出波形图

3.采用IGBT短路时V_CE增大和电流互感器过电流检测的综合短路保护电路

图5-22所示为利用检测IGBT集电极电压和电流传感器检测的综合保护电路，电路工作原理是：当负载短路（或IGBT因其他故障过电流）时，IGBT的V_CE将增大，VD1关断，导致由R₁提供的电流经R₂和R₃分压器提供的电压使V3导通，从而使IGBT栅极电压由VD3所限制而降压，限制了IGBT峰值电流的幅度，该电压同时经R₅及C₃延迟使V2导通输出软关断信号。为了提高短路保护电路的可靠性，在短路时经电流传感器检测短路电流，经比较器IC1输出的高电平使V3导通进行降栅压，V2导通进行IGBT软关断保护。

图5-22 综合过电流保护电路(www.xing528.com)

4.具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路

图5-23所示为应用检测IGBT集电极电压的过电流保护原理，采用软降栅压、软关断及降低工作频率保护技术的短路保护电路。正常工作时，驱动输入信号V_i为低电平，光耦合器IC4不导通，V1及V3导通，输出负驱动电压V_GE，IGBT（V4）关断；当驱动输入信号V_i为高电平时，光耦合器IC4导通，V1截止而V2导通，输出正驱动电压V_GE，IGBT导通。发生短路故障时，IGBT集电极电压V_CE增大，由于VD5截止导致比较器IC1输出高电平，V5导通，由VD2限压实现对V2降栅压，从而实现了IGBT软降栅压保护，V2降栅压幅度由稳压管VD2决定，软降栅压时间由R₆和C₁决定约为2μs。IC1输出的高电平同时经R₇对C₂进行充电延时约5～15μs后，C₂上电压达到稳压管VD4的击穿电压，V6导通。V6导通后，一方面使光耦合器IC5导通启动降频过电流保护电路工作，另一方面由R₉和C₃形成约3μs的软关断栅压，完成对IGBT软关断栅压保护。

图5-23 检测IGBT集电极电压的过电流保护电路

V5导通时，V7经C₄和R₁₀电路形成的基极电流导通约20μs，在降栅压保护后将输入驱动信号闭锁一段时间，不再响应输入端的关断信号，以避免在故障状态下形成硬关断过电压，使驱动电路在故障存在的情况下能执行一个完整的降栅压和软关断保护过程。

在大功率负载中为了使电源在短时间的短路故障状态下不中断工作，又能避免连续进行短路保护产生热积累而损坏IGBT，可采用使工作频率降低的方法形成间歇“打嗝”保护，待故障消除后又恢复正常工作，降频“打嗝”保护并非每个保护电路都必需。

降频过电流保护电路主要由时基555电路（IC2）、光耦合器IC5、晶体管V8和V9等组成，V6导通时，光耦合器IC5导通，时基电路IC2的触发脚2获得负触发信号，555脚3输出高电平，V9导通，IC3与门被封锁，封锁时间由定时元件R₁₅和C₅决定（约1.2s），使工作频率降至1Hz以下，驱动器的输出信号将工作在所谓的“打嗝”状态，避免了发生短路故障后仍工作在原来的频率下，而频繁进行短路保护导致热积累而损坏IGBT。只要故障消失，电路又能恢复到正常工作状态。

5.具有检测高频交流电流短路的保护电路

具有检测高频交流电流短路的保护电路如图5-24所示。R₄为输出电流取样电阻，电路正常工作时，IC1的输出电压V_A不足以使VD3（9.1V）或VD4（9.1V）击穿导通，V1和V2均不导通，IC2不工作，V3导通输出低电平，EXB841驱动电路正常工作。如果电路有过电流现象出现时，假定过电流发生在正半周，IC1输出的V_A为负电压，使得VD3击穿，VD4导通，V2导通，电流经VD2、R₈、V2、R₁，使光耦合器IC2导通，输出过电流信号，V3截止输出高电平。若在负半周过电流发生，IC1输出V_A为正电压，使VD4击穿，VD3导通，V1导通，电流经R₇、V1、R₈和VD1，使IC2通电工作，V3截止输出高电平。当V3截止输出高电平时，启动EXB841内部短路降栅压软关断电路工作，完成对IGBT的保护。这样，只要电路有过电流现象发生，保护电路就会立即动作，对电路进行有效地保护，防止损坏IGBT。该电路对低频交流电路和直流电路的短路电流保护同样有效。由于PN结稳压值随温度升高而升高，而PN结正向导通值随温度升高而降低，故VD3及VD4反向串联具有良好温度补偿作用，提高了电路的热稳定性。

图5-24 检测高频交流电流短路的保护电路