電力變換裝置中短路保護電路的設(shè)計

正常工作時，驅(qū)動輸入信號V_i為低電平，光耦I(lǐng)C₄不導(dǎo)通，V₁及V₃導(dǎo)通，輸出負(fù)驅(qū)動電壓V_E，IGBT（V₄）關(guān)斷；當(dāng)驅(qū)動輸入信號V_i為高電平時，光耦I(lǐng)C₄導(dǎo)通，V₁截止而V₂導(dǎo)通，輸出正驅(qū)動電壓V_C1，功率開關(guān)管IGBT導(dǎo)通。發(fā)生短路故障時，IGBT集電極電壓V_ce增大，由于V_D5截止導(dǎo)致比較器IC₁輸出高電平，V₅導(dǎo)通，由VD2限壓實現(xiàn)對V₂降柵壓，從而實現(xiàn)了IGBT軟降柵壓保護，V₂降柵壓幅度由穩(wěn)壓管V_D2決定，軟降柵壓時間由R₆和C₁決定約為2μs。IC₁輸出的高電平同時經(jīng)R₇對C₂進行充電延時約5～15μs后，C₂上電壓達(dá)到穩(wěn)壓管V_D4的擊穿電壓，V₆導(dǎo)通。V₆導(dǎo)通后，一方面使光耦I(lǐng)C₅導(dǎo)通啟動降頻過流保護電路工作，另一方面由R₉和C₃形成約3μs的軟關(guān)斷柵壓，完成對IGBT軟關(guān)斷柵壓保護。

V₅導(dǎo)通時，V₇經(jīng)C₄和R₁₀電路形成的基極電流導(dǎo)通約20μs，在降柵壓保護后將輸入驅(qū)動信號閉鎖一段時間，不再響應(yīng)輸入端的關(guān)斷信號，以避免在故障狀態(tài)下形成硬關(guān)斷過電壓，使驅(qū)動電路在故障存在的情況下能執(zhí)行一個完整的降柵壓和軟關(guān)斷保護過程。

降頻過流保護電路主要由時基555電路（IC₂），光耦I(lǐng)C₅，V₈和V₉三極管等組成。V₆導(dǎo)通時，光耦I(lǐng)C₅導(dǎo)通，時基電路IC₂的觸發(fā)腳2獲得負(fù)觸發(fā)信號，555腳3輸出高電平，V₉導(dǎo)通，IC₃與門被封鎖，封鎖時間由定時元件R₁₅和C₅決定（約1.2s），使工作頻率降至1Hz以下，驅(qū)動器的輸出信號將工作在所謂的“打嗝”狀態(tài)，避免了發(fā)生短路故障后仍工作在原來的頻率下，而頻繁進行短路保護導(dǎo)致熱積累而損壞IGBT。只要故障消失，電路又能恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

2.5 具有檢測高頻交流電流短路的保護電路

該電路如圖5所示。R4為輸出電流取樣電阻，電路正常工作時，IC1的輸出電壓UA不足以使D₃（9.1V）或D₄（9.1V）擊穿導(dǎo)通，V₁和V₂均不導(dǎo)通，IC₂不工作，V₃導(dǎo)通輸出低電平，EXB841驅(qū)動電路正常工作。如果電路有過流現(xiàn)象出現(xiàn)時，假定發(fā)生在正半周，IC₁輸出的UA為負(fù)電壓，使得D₃擊穿，D₄導(dǎo)通，V₂導(dǎo)通，電流經(jīng)D₂，R₈，V₂，R₁，使光耦I(lǐng)C₂導(dǎo)通，輸出過流信號，V₃截止輸出高電平。若負(fù)半周過流發(fā)生，IC₁輸出UA為正電壓，使D₄擊穿，D₃導(dǎo)通，V₁導(dǎo)通，電流經(jīng)R₇，V₁，R₈和D₁，使IC₂通電工作，V₃截止輸出高電平。當(dāng)V₃截止輸出高電平時，啟動EXB841內(nèi)部短路降柵壓軟關(guān)斷電路工作，完成對IGBT的保護。這樣，只要電路有過流現(xiàn)象發(fā)生，保護電路就會立即動作，對電路進行有效地保護，防止損壞IGBT。該電路對低頻交流電路和直流電路短路電流保護同樣有效。由于PN結(jié)穩(wěn)壓值隨溫度升高而升高，而PN結(jié)正向?qū)ㄖ惦S溫度升高而降低，故D3及D4反向串聯(lián)具有良好溫度補償作用，使電路熱穩(wěn)定性相當(dāng)好。

圖5 具有檢測高頻交流電流短路的保護電路

3 結(jié)語

對電力變換裝置的短路保護至關(guān)重要，應(yīng)針對不同的變換模式和變換拓?fù)?，進行短路保護的設(shè)計，以確保短路發(fā)生時保護電路能有效地達(dá)到保護的目的。還須指出的是，由于電力變換裝置工作在大功率下的惡劣環(huán)境中，各種突發(fā)故障隨時都有可能發(fā)生，只有電流保護是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要有防浪涌的軟啟動、過欠壓、過熱、缺相等保護，以組成完善的保護系統(tǒng)，只有這樣才能確保其安全運行。