電力變換裝置中短路保護電路的設計

正常工作時，驅動輸入信號V_i為低電平，光耦IC₄不導通，V₁及V₃導通，輸出負驅動電壓V_E，IGBT（V₄）關斷；當驅動輸入信號V_i為高電平時，光耦IC₄導通，V₁截止而V₂導通，輸出正驅動電壓V_C1，功率開關管IGBT導通。發生短路故障時，IGBT集電極電壓V_ce增大，由于V_D5截止導致比較器IC₁輸出高電平，V₅導通，由VD2限壓實現對V₂降柵壓，從而實現了IGBT軟降柵壓保護，V₂降柵壓幅度由穩壓管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R₇對C₂進行充電延時約5～15μs后，C₂上電壓達到穩壓管V_D4的擊穿電壓，V₆導通。V₆導通后，一方面使光耦IC₅導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的軟關斷柵壓，完成對IGBT軟關斷柵壓保護。

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

降頻過流保護電路主要由時基555電路（IC₂），光耦IC₅，V₈和V₉三極管等組成。V₆導通時，光耦IC₅導通，時基電路IC₂的觸發腳2獲得負觸發信號，555腳3輸出高電平，V₉導通，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，驅動器的輸出信號將工作在所謂的“打嗝”狀態，避免了發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致熱積累而損壞IGBT。只要故障消失，電路又能恢復到正常工作狀態。

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）擊穿導通，V₁和V₂均不導通，IC₂不工作，V₃導通輸出低電平，EXB841驅動電路正常工作。如果電路有過流現象出現時，假定發生在正半周，IC₁輸出的UA為負電壓，使得D₃擊穿，D₄導通，V₂導通，電流經D₂，R₈，V₂，R₁，使光耦IC₂導通，輸出過流信號，V₃截止輸出高電平。若負半周過流發生，IC₁輸出UA為正電壓，使D₄擊穿，D₃導通，V₁導通，電流經R₇，V₁，R₈和D₁，使IC₂通電工作，V₃截止輸出高電平。當V₃截止輸出高電平時，啟動EXB841內部短路降柵壓軟關斷電路工作，完成對IGBT的保護。這樣，只要電路有過流現象發生，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結穩壓值隨溫度升高而升高，而PN結正向導通值隨溫度升高而降低，故D3及D4反向串聯具有良好溫度補償作用，使電路熱穩定性相當好。

圖5 具有檢測高頻交流電流短路的保護電路

3 結語

對電力變換裝置的短路保護至關重要，應針對不同的變換模式和變換拓撲，進行短路保護的設計，以確保短路發生時保護電路能有效地達到保護的目的。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境中，各種突發故障隨時都有可能發生，只有電流保護是遠遠不夠的，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，只有這樣才能確保其安全運行。