通信高頻逆變器需要實現對關鍵負載長期不間斷供電,這就對高頻逆變器的可靠性提出了極高的要求。而在實際應用環境中,用戶有可能因操作失誤或者環境因素等造成逆變器輸出短路，或逆變器橋臂直通,這時,逆變器的功率管會有大電流通過(本文主要針對IGBT講解,也可以類推應用到MOSFET),假如不對此類故障電流進行檢測并實施有效的保護動作,IGBT的集電極或者漏極電流就會遠超過安全工作區,IGBT會因瞬間大電流導致高功率損耗燒毀,也可能有過電流引起的過電壓擊穿損壞。

輸出短路保護:需要逆變器能重復多次承受短路沖擊電流,在維持200ms后能關閉逆變器,這就需要將短路時流過IGBT的電流控制在ICRM(重復峰值電流,一般ICRM=2 IC nom)內。

橋臂直通保護:例如VT2自身失效短路或者被外在電氣連接短路,在VT1開通時,母線被直接通過VT1短路,此直通電流上升得非常快,一般在10μs之內即能上升到IGBT額定電流的數倍,發生橋臂直通后,需要快速檢測出此故障,并將IGBT驅動封鎖并死鎖,直到系統指令復位才允許再次開啟驅動信號。在總壽命周期內,一般IGBT承受此類直通電流不能超過100次。這類直通保護需要在10μs內,在IGBT的電流不超過ISC(瞬態峰值電流,一般ISC=4 IC nom)以前關閉驅動,并同時關閉逆變器。

1 輸出短路保護

在標示4處安裝HALL電流傳感器來檢測Lf電感電流,當發生輸出短路時,假如VT1開通,電壓UC1通過VT1和電感Lf短路,電感電流迅速上升,檢測此電流到一定范圍時(大于正常工作電流,小于重復峰值電流ICRM),將VT1和VT2驅動封鎖,此時電感電流ILf開始下降,當電流下降到一定程度,撤銷驅動封鎖信號。假如此過程中輸出一直短路,待下一個驅動到來時,電感電流又開始上升,到短路保護點時,再一次封鎖IGBT的驅動,如此反復200ms后,軟件邏輯可判斷此時發生了輸出短路,將逆變器關閉。

2 橋臂直通的過流保護

首先,為避免由于上管VT1和下管VT2因驅動信號同時為高電平而造成的直通故障,一方面需要在驅動軟件中考慮加入死區,另一方面也需要在硬件電路上對上下管的驅動波形進行硬件互鎖,當上下管驅動電平同時為有效電平時,自動封鎖驅動電壓。

另外,IGBT也有可能因過壓導致瞬間擊穿直通,或者自身雪崩失效短路、由于外部原因引起的電氣連接造成的短路,此時標示2、3、4處都會有大電流通過,目前的各種保護措施都無法徹底避免變換器發生橋臂直通的可能性,那么怎樣實現在發生橋臂直通時及時檢測出直通故障并保護IGBT,以避免IGBT燒毀,就顯得尤為重要。