大功率電壓型逆變器新型組合式IGBT過流保護方案以及大功率弧焊逆變電源的IGBT保護技術 – 變流、電壓變換、逆變電路

弧焊逆變電源廣泛應用于造船、機械、汽車、電力、化工、石油、輕工業、航天、國防工業等部門。近年來大功率電力電子器件IGBT以其獨特的優點受到眾多廠家的青睞，并逐步應用于現代弧焊逆變電源中。然而弧焊逆變電源工作環境惡劣，其負載決定了其工作電流變化劇烈，如果我們對IGBT性能和特點存在模糊認識并且在控制方法和保護技術等方面未采取有效的措施，則很有可能會損壞IGBT，從而使人們開始懷疑IGBT的質量是否真正符合資料上所列出的各項參數。本文針對以上問題介紹了一種應用電路硬件保護和單片機控制程序保護相結合的方法來對IGBT進行有效的保護。

1　引 言

2．IGBT 的工作原理

2.1　IGBT結構

IGBT結構上與MOSFET十分相似，只是多了一個

層，引出作為發射極，柵極、集電極與MOSFET完全相似。其簡化等效電路如圖1所示。圖1

IGBT的工作原理：IGBT由柵極電壓正負來控制。當加上正柵極電壓時，絕緣柵下形成溝道，MOSFET導通，相當于

接到E，為PNP晶體管提供了流動的基極電流，從而使PNP管（即整個IGBT）導通。當加上負柵極電壓時，IGBT工作過程相反，形成關斷。

2.2　IGBT安全工作區

在IGBT開關過程中，大電流和大電壓的重疊造成主要的功耗，同時承受較高的di/dt和dv/dt即電流電壓應力。特別是運行在PWM硬開關狀態下，這是影響可靠性的重要原因。為了保證其安全可靠的工作，不僅有電流電壓的限制，還必需使其動態過程的運行軌跡在安全工作區內。如圖2所示，正偏安全工作區FBSOA是指柵極加正向電壓時的安全工作區，對應于導通狀態。三條邊界分別對應允許電流、允許電壓和允許功耗。隨著導通時間增長，功耗和溫升增加，安全工作區縮小。

IGBT關斷時為反向偏置，對應安全工作區為反偏安全工作區RBSOA。除了電流電壓邊界外，另一邊界為器件關斷后的重加電壓上升率。因此，電壓變化率越大，安全工作區越小。實際上，這就是因為IGBT動態擎住效應的限制的緣故。所以在弧焊逆變電源的設計中，限制過電流和過電壓、改善器件的運行特性以及降低功耗，都有重要的意義。在不同的工作狀態下，保證IGBT在安全工作范圍內并處于較好狀態下，是提高整機可靠性的關鍵技術。

3．IGBT的保護措施

由于其結構和安全工作區知IGBT的可靠與否主要由以下因素決定：

1、柵極與發射極電壓

2、集電極與發射極電壓

3、流過集電極的電流

4、IGBT的結溫

以上的四個因素在工作環境惡劣的弧焊逆變電源中都是需要注意的，尤其是第二項和第三項是我們在設計保護電路中重點考慮的內容。

3.1　IGBT柵極的保護

IGBT的柵極－發射極驅動電壓

的保證電壓為

，因此在IGBT的驅動電路應當設置柵極壓限幅電路；另外由于焊接電源設備工作環境非常惡劣，在運輸或振動過程中可能會使柵極回路斷開，這時如果電源設備開始工作，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與與集電極和發射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極－發射極間有電流流過。這時若集電極和發射極處于高壓狀態時，會使IGBT發熱，極易引起IGBT損壞。為防止此類情況發生，可在IGBT的柵極與發射極間并接一只 的電阻，此電阻應盡量靠近柵極與發身極。如圖3所示。
圖3

3.2　集電極與發射極的過壓保護

圖4

在此硬件電路的基礎上，結合單片機的控制系統可檢測輸出電壓低于某一設定值時，單片機便認為負載電弧是處于短路狀態，這時單片機便對IGBT的最小脈沖寬度進行限制，以保證吸收電容有足夠的放電時間，從而降低IGBT的關斷反向電壓。同時為保證輸出電流恒定，單片機在判斷輸出為短路時將逆變器的等脈沖寬度調節（PWM）變為頻率調節控制（PFM），即脈沖分頻控制，輸出電壓越低，輸出脈沖的頻率越低。其單片機程序過程如圖5所示：

這與傳統的簡單限流或直接關閉IGBT的控制方式有本質的區別，它是利用單片機的智能性改變其工作方式來保護IGBT的安全，從而可靠的保證IGBT的安全。

3.3　過流保護

過流對IGBT來說，是產生原因最復雜、發生次數最多、損壞概率最高的事件，也是國內弧焊逆變電源容易損壞的主要原因。IGBT正常工作時，導通期間的電流包括開通時的尖峰、折算到原邊的焊接電流和關斷時的拖尾電流。在設計IGBT的過流保護時，主要可采取以下三條措施：首先選擇IGBT器件時，使其最大工作電流只占IGBT

的30%左右，其目的就是要使IGBT的安全工作區盡可能在一些，以避免IGBT的擎住效應；其次針對元器件失效等偶發性故障，如輸出失控、IGBT損壞、功率變壓器擊穿、短路、高頻整流快恢復二極管損壞引起的過電流行為，應設計保護電路為立即保護型。即保護電路動作后，切斷供電電源，停止逆變電源工作；最后，對元器件并沒有失效，而是由于某種其它原因如負載突然加大造成的過流，可嘗試采用一種慢降柵壓的電路來實現

3.4　過熱保護

在焊接工作時由于工作環境惡劣，流過IGBT電流很大，并且開關頻率較高，所以器件的損耗也較大，如果熱量不能及時散掉，使結溫 ，則會引起IGBT的損壞，在熱設計時還要考慮在短路和過載時，IGBT也不能過熱而損壞。適當加大散熱系統是保護焊接電源正常工作的必要條件，但由于散熱系統不可能無限制擴大，所以要在靠近IGBT處安裝一溫度繼電器來檢測IGBT的工作溫度。當溫度超過所設定的最高溫度時切斷IGBT的輸入，保護其安全。

4　結語

本文介紹了利用硬件保護電路并結合單片機的程序對弧焊逆變電源中IGBT進行保護的方法和措施。該方法不僅從硬件電路上設計了可靠的保護電路，而且還利用單片機的程序來對設備工作狀態進行判斷后選擇工作方式來間接對IGBT進行保護，這樣不僅保護了IGBT的安全還保證了該電源即使在惡劣的環境的中也能可靠穩定的工作。所以在實際應用中只要我們考慮到IGBT的不同容量、型號并參考以上方法采取相應的保護措施就可以達到滿意的效果。

隨著電力電子器件制造技術 的發展，高性能、大容量的絕緣柵雙極晶體管 （IGBT）因其具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅 動功率小、開關損耗低及工作頻率高等特點， 而越來越多地應用到工作頻率為幾十kHz以下， 輸出功率從幾kW到幾百kW的各類電力變換裝置中 。IGBT逆變器中最重要的環節就是高性能的過流 保護電路的設計。專用驅動模塊都帶有過流保 護功能。一些分立的驅動電路也帶有過電流保 護功能。在工業應用中，一般都是利用這些瞬 時過電流保護信號，通過觸發器時序邏輯電路 的記憶功能，構成記憶鎖定保護電路，以避免 保護電路在過流時的頻繁動作，實現可取的過 流保護。本文分析了大功率可控整流電壓型逆 變器中封鎖驅動及整流拉逆變式雙重保護電路 結構。
2IGBT失效原因和保護方法
2．1IGBT失效原因分析
引起IGBT失效的原因有：
1）過熱損壞集電極電流過大引起的 瞬時過熱及其它原因，如散熱不良導致的持續 過熱均會使IGBT損壞。如果器件持續短路，大電 流產生的功耗將引起溫升，由于芯片的熱容量 小，其溫度迅速上升，若芯片溫度超過硅本征 溫度(約250℃)，器件將失去阻斷能力，柵極控制 就無法保護，從而導致IGBT失效^[1]。實際 運行時，一般最高允許的工作溫度為130℃左右 。
2)超出關斷安全工作區引起擎住效應 而損壞擎住效應分靜態擎住效應和動態擎住效 應。IGBT為PNPN4層結構，其等效電路如圖1所示。 體內存在一個寄生晶閘管，在NPN晶體管的基極 與發射極之間并有一個體區擴展電阻R_s， P型體內的橫向空穴電流在Rs上會產生一定的電 壓降，對NPN基極來說，相當于一個正向偏置電 壓。在規定的集電極電流范圍內，這個正偏置 電壓不大，對NPN晶體管不起任何作用。當集電 極電流增大到一定程度時，該正向電壓足以使 NPN晶體管開通，進而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀 態。于是，寄生晶閘管導通，門極失去控制作 用，形成自鎖現象，這就是所謂的靜態擎住效 應。IGBT發生擎住效應后，集電極電流增大，產 生過高功耗，導致器件失效。動態擎住效應主 要是在器件高速關斷時電流下降太快，dvCE/dt很 大，引起較大位移電流，流過R_s，產生足 以使NPN晶體管開通的正向偏置電壓，造成寄生 晶閘管自鎖^[2]。

3)瞬態過電流IGBT在運行過程中所承 受的大幅值過電流除短路、直通等故障外，還 有續流二極管的反向恢復電流、緩沖電容器的 放電電流及噪聲干擾造成的尖峰電流。這種瞬 態過電流雖然持續時間較短，但如果不采取措 施，將增加IGBT的負擔，也可能會導致IGBT失效。
4）過電壓造成集電極?發射極擊穿 。
5）過電壓造成柵極?發射極擊穿。
2．2IGBT保護方法
當過流情況出現時，IGBT必須維持 在短路安全工作區（SCSOA）內。IGBT承受短路的時 間與電源電壓、柵極驅動電壓以及結溫有密切 關系。為了防止由于短路故障造成IGBT損壞，必 須有完善的故障檢測與保護環節。一般的檢測 方法分為電流傳感器和IGBT欠飽和式保護。
1）封鎖驅動信號
在逆變電源的負載過大或輸出短路 的情況下，通過逆變橋輸入直流母線上的電流 傳感器進行檢測。當檢測電流值超過設定的閾 值時，保護動作封鎖所有橋臂的驅動信號。這 種保護方法最直接，但吸收電路和箝位電路必 須經特別設計，使其適用于短路情況。這種方 法的缺點是會造成IGBT關斷時承受應力過大，特 別是在關斷感性超大電流時，必須注意擎住效 應。
2）減小柵壓
IGBT的短路電流和柵壓有密切關系， 柵壓越高，短路時電流就越大。在短路或瞬態 過流情況下若能在瞬間將v_GS分步減少或 斜坡減少，這樣短路電流便會減小下來，當IGBT關 斷時，di/dt也減小。集成驅動電路如EXB841或M579xx系 列都有檢測v_CES電路，當發現欠飽和時， 柵壓箝位到10V左右，增大v_CES，限制過電 流幅值，延長允許過流時間。短路允許時間t_sc和 短路電流Isc同柵極電壓vG的關系如圖2所示

3整流拉逆變式組合保護方案
電容上最后電壓與母線電流，電感 及電容有關。在我們試驗用的10kW樣機中，直流 母線電壓200V時讓逆變瞬間在保護信號下關斷， 母線電壓突然上升到近450V。針對此種現象，采 用在保護動作的同時將整流電路拉到逆變工作 狀態(觸發角α拉到約150°)，使濾波電感中的能 量大部分回饋到電網。
在實際應用中，由于驅動電路的故 障導致上下橋臂IGBT直通的可能性很小。鑒于此 ，也可以采用單一的整流部分拉逆變的保護方 法。對于像負載過流或短路，都能在IGBT允許的 短路電流時間內將整個裝置的工作停下來。這 種保護方法并不直接針對IGBT，而是將前級整流 輸入關斷，故障時IGBT仍處于工作狀態。這屬于 “軟保護”，對IGBT沒有應力沖擊，同時也可以 避免在大電流下瞬間關斷可能導致IGBT超出關斷 安全工作區而處于擎住狀態。
4實驗結果
這種保護方案已成功地應用 于大功率高頻高壓電壓型串聯諧振逆變器中， 中壓輸出經升壓變壓器升到6kV，用于材料電暈 處理。樣機輸出功率約10kW。由于負載是高壓電 暈處理器，升壓變壓器內部容易發生原、副邊 擊穿現象。試驗中發現，不論對于負載短路， 變壓器擊穿引起的過流，還是輸入電壓過高引 起的過流都能很好地保護逆變器不受損壞。
5結論
IGBT是逆變器中最容易損壞的 部分，特別是對于電壓型可控整流電路。在對 IGBT直通保護時還要考慮到關斷逆變器對前級電 路的影響。本文所介紹的整流逆變同時保護的 方案可以可靠保護整個逆變器，并在實踐中取 得了良好的效果。