基于矩陣變換器IGBT的集中式過流保護電路設計

摘要：分別針對矩陣變換器的整流級和逆變級IGBT的過流現象進行了討論，提出了一種新的集中式過流保護電路的設計方式。該方式可確保IGBT在短路情況下及時被關斷，從而安全穩定地運行。試驗結果表明：新的集中式過流保護電路具有經濟、準確、快速的特點。
關鍵詞：矩陣變換器；IGBT；集中式；過流保護電路

O 引言
近年來，矩陣變換器的優越性能日益受到研究者們的重視，因而已成為電力變換器中的研究熱點。IGBT作為矩陣變換器的重要開關器件，是電力電子系統中最具應用前景的功率半導體器件之一，其安全穩定的工作決定著矩陣變換器的穩定運行。
IGBT的保護電路主要分為過壓保護、過流保護和過熱保護電路。本文主要討論IGBT的過流保護電路。通常情況下，根據IGBT手冊給出的相關保護電路進行設計就足以保證IGBT的可靠運行。但是，在矩陣變換器中，由于整流級和逆變級的IGBT數量較多，而對逐個IGBT過流保護電路進行設計較為繁瑣，故可以采用集中式過流保護電路，以達到精簡和優化電路的效果。
另外，由于IGBT能夠承受一定時間的短路電流，所承受短路電流的時間與短路電流的大小有關，短路電流相比IGBT的額定電流越大，IG-BT能承受的時間也就越短。故在IGBT短路燒毀前，保護電路必須快速反應并對其關斷，從而達到保護IGBT可靠工作的目的。

l 過流分析
IGBT的過流情況可以分為兩類：一類是低倍數(1．2～1．5倍)的過載電流；另一類是高倍數(高達8～10倍)的短路電流。
1．1 過載電流保護
原則上，IGBT在過流時的開關和通態特性與其在額定條件下運行時的特性相比并沒有什么不同。但由于比較大的負載電流會引起IGBT內較高的損耗，所以，為了避免超過最大允許節溫，IGBT的過載范圍往往會受到限制。這不僅是過載時節溫的絕對值，而且連過載時的溫度變化范圍都是限制因素。
1．2 短路電流保護
IGBT能承受短路電流的時間很短，且能承受短路電流的時間與該IGBT的導通飽和壓降有關，它隨著飽和導通壓降的增加而延長。存在以上關系的原因是由于隨著導通飽和壓降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路電流同時增大，短路時的功耗隨著電流的平方增大，從而造成承受短路的時間迅速縮短。
原則上，IGBT都是安全短路器件。換句話說，它們在一定的外部條件下可以承受短路電流，然后被關斷，而器件不會發生損壞。

2 保護電路設計
本文所設計的集中式過流保護電路主要針對矩陣變換器的IGBT。本矩陣變換器的整流級和逆變級選取的IGBT型號分別是三菱公司的CT6-0AM20和富士公司的1MBH60D一090A。由于在整流級和逆變級IGBT承受的電壓和電流有差別，故要選擇相應的IGBT來確保矩陣變換器正常穩定的運行。整流級的驅動芯片選擇的是落木源公司的TX―KA962。TX―KA962芯片相對于三菱公司的M57962芯片來說，其具有死區時間、軟關
斷速度、故障后再次啟動時間可調等優點。