IGBT短路保护的应用及意义

更新时间:2023-05-25 16:30:01 阅读量: 实用文档 文档下载

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IGBT短路保护的应用及意义

IGBT短路保护电路可以实现快速保护,同时能节省检测短路电流所需的霍尔电流传感器,降低整个系统的成本。实践证明,该电路有比较大的实用价值,尤其是在低直流母线电压的应用场合,可以应用于大型的高频逆变器。

在变频器的内部的直流电源部分的输出(连接到逆变器)的两根线上分别有两个霍尔器件.在正常情况下,流出直流源(流入逆变器)的电流和流回直流源(从逆变器流回)的电流是相等的。两个霍尔器件上的电压是平衡的.一旦发生接地故障,流出直流源的电流同流回直流源的电流不等,两个两个霍尔器件上的电压不等,变频器检测到这种情况,就立刻发出报警信号,实施接地保护,所以接地保护的基本原理,并不是靠出现了较大的接地短路电流来

进行保护的。

1、短路保护的工作原理

2、图11-2所示为工作在PWM整流状态的H型桥式PWM变换电路(此图为正弦波正半波输入下的等效电路,上半桥的两只IGBT未画出),图11-2为下半桥两只大功率器件的驱动信号和相关的器件波形。现以正半波工作过程为例进行分析(对于三相PWM电路,

在整流、逆变工作状态或单相DC/DC工作状态下,PWM电路的分析过程及结论基本类似)。

在图11-2所示的电路中,在市电电源Us的正半周期,将Ug2.4所示的高频驱动信号加在下半桥两只IGBT的栅极上,得到管压降波形UT2D。其工作过程分析如下:在t1~t2时刻,受驱动信号的作用,T2、T4导通(实际上是T2导通, D4处于续流状态),在Us的作用下通过电感LS的电流增加,在T2管上形成如图11-2中UT2D所示的按指数规律上升的管压降波形,该管压降是通态电流在IGBT导通时的体电阻上产生的压降;在t2~t3时刻,T2、T4关断,由于电感LS中有储能,因此在电感LS的作用下,二极管D2、D4续流,形成图11-3中UT2.D的阴影部分所示的管压降波形,以此类推。分析表明,为了能够检测到IGBT导通时的管压降的值,应该将在t1~t2时刻IGBT导通时的管压降保留,而将在t2~t3时刻检测到的IGBT的管压降的值剔除,即将图11-3中UT2.D的阴影部分所示的管压降波形剔除。由于IGBT的开关频率比较高,而且存在较大的开关噪声,因此在设计采样电路时应给予足够的考虑。

图11-2 IGBT短路保护电路原理图

图11-2

根据以上的分析可知,在正常情况下,IGBT导通时的管压降Uce(sat)的值都比较低,通常都小于器件手册给出的数据Uce(sat)的额定值。但是,如果H型桥式变换电路发生故障(如同一侧桥臂上的上下两只IGBT同时导通的 “直通”现象),则这时在下管IGBT的C~E极两端将会产生比正常值大很多的管电压。若能将此故障时的管压降值快速地检测出来,就可以作为对I

GBT进行保护的依据,从而对IGBT实施有效的保护。

图11—3

2、短路保护电路的设计

由对图11-2所示电路的分析,可以得到IGBT短路保护电路的原理电路图,如图11-2所示。在图11-2所示电路中IC4及其外围器件构成选通逻辑电路,由IC5及其外围器件构成滤波及放大电路,IC2及其外围器件构成门限比较电路,IC1及其外围器件构成保持电路。正常情况下,D1、D2、D3的阴极所连接的IC2D、IC2C及CD4011的输出均为高电平,IC1的输出状态不会改变。假设由于某种原因,在给T2发驱动信号的时候,H型桥式PWM变换电路的左半桥下管T2的管压降异常升高(设电平值为“高”),即T2-d端电压异常升高,则该高电平UT2-d通过R2加在D8的阴极;同时,发给T2的高电平驱动信号也加在二极管D5的阴极。对IC2C来说,其反相输入端为高电平,若该电平值大于同相输入端的门槛电平值的话,则IC2C输出为“低”。该“低”电平通过D2加在R-S触发器IC1的R输入端,使其输出端Q的输出电平翻转,向控制系统发出IGBT故障报警信号。如果是由于右半桥下管T4的管压降异常升高而引起IC2D输出为“低”,则该“低”电平通过D1加在R-S触发器IC1的R输入端,使其输出端Q的输出电平翻转,向控制系统发出IGBT故障报警信号。由IC5A和IC5C及其外围器件构成的滤波及放大电路将选通电路送来的描述IGBT管压降的电压信号进行预处理后,送给由IC5B构成的加法器进行运算处理。若加法器的输出电平大于由R22和R32确定的门槛电平,则会使R-S触发器IC1的R端的第三个输入端为“低”,也向控制系统发出IGBT故障报警信号。改变由R22和R32确定的门槛电平,就可以灵活地改变这第三路报警信号所代表的物理意义,从而灵活地设计保护电路。图11-2中的端

子T4-d、T2-d,分别接在T4、T2的集电极上,T4-G、T2-G分别接IGBT器件T4、T2的驱动信号。在电路设计时应该特别注意的是,D8、D5、D 9、D4必须采用快速恢复二极管。

图11—4

图11—5

3、仿真及实验结果

当图11-2所示的PWM变换器工作在单相高频整流模式下,应用PSPICE仿真软件对图11-2所示的电路进行仿真研究,可以得到如图11-3所示的结果。图11-3所示的仿真波形相当于在图11-2电路中IC5B的第7脚观察到的信号波形。仿真结果表明,检测电路可以快速、有效地将PWM变换器的下管导通时的管压降检测出来。图11-4所示波形是实际电路工作时检测到的相关波形。图中,1#通道显示的是单相高频整流电感电流的给定波形,2#通道显示的是实际检测到的图2电路中IC5B的第7脚的工作波形。比较图11-3和图11-4可以得出,该检测电路可以快速、有效地检测出IGBT导通时的管压降,从而对IGBT实施有效的保护。

图11-5所示为IGBT过流时实际检测到的PFC电感中流过的电流及保护电路动作的波形。

电路实际运行结果证明,本文介绍的IGBT短路保护电路可以有效地对IGBT实施保护,成本低,动作可靠。实践证明,该电路有比较大的实用价值,尤其是在低直流母线电压的应用场合,该电路有广阔的应用前景。该电路已经成功地应用在某型3KVA高频逆变器中。

四、变频器过流故障分析

变频器中,过电流保护的对象主要指带有突变性质的、电流的峰值超过了变频器的容许值的情形.由于逆变器件的过载能力较差,所以变频器的过电流保护是至关重要的一环,迄今为止,已发展得十分完善,变频器出现“OVERCURRENT”故障,分析其产生的原因,从两方面来考虑:

(一)外部原因:

1、电机负载突变,引起的冲击过大造成过流。比如电动机遇到冲击负载,或传动机构出现“卡住”现象,引起电动机电流的突然增加;

2、变频器的输出侧短路,如输出端到电动机之间的连接线发生相互短路,或电动机内部发生短路等.比如电机和电机电缆相间或每相对地的绝缘破坏,造成匝间或相间对地短路,因而导致过流。一台富士变频器启动就跳闸,查其输出侧接触器电缆头部分锈蚀、松动,开机时发生电弧,导致保护动作。

3、过流故障与电机的漏抗,电机电缆的耦合电抗有关,所以选择电机电缆一定 按照要求去选。

4、在变频器输出侧有功率因数矫正电容或浪涌吸收装置。

5、当装有测速编码器时,速度反馈信号丢失或非正常时,也会引起过流,检查 编码器和其电缆。负载过大也可能引起。如一台西门子M420变频器,由于机械卡死。

6、负载过大也可能引起。如一台西门子M420变频器,由于机械卡死而引起过流报警。 7、

(二)机器本身的原因:

1、参数设定问题:

例如加速时间太短,则变频器输出频率的变化远远超过电机频率的变化;PID调节器的比例P、积分时间I参数不合理,超调过大,造成变频器输出电流振荡等。常见的是升速时过电流 当负载的惯性较大,而升速时间又设定得太短时,意味着在升速过程中,变频器的工作效率上升太快,电动机的同步转速迅速上升,而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去,结果是升速电流太大。同理降速中的过电流 当负载的惯性较大,而降速时间设定得太短时,也会引起过电流。因为,降速时间太短,同步转速迅速下降,而电动机转子因负载的惯性大,仍维持较高的转速,这时同样可以是转子绕组切割磁力线的速度太大而产生过电流。依据不同的负载情况相应地调整加速时间,就能消除此故障。

2、变频器硬件问题:检测电路的损坏也会显示过渡报警。其中霍尔传感器受温度、湿度等环境因素的影响,工作点漂移。

A)电流互感器损坏,其现象表现为,变频器主回路送电,当变频器未起动时 ,有电流显示且电流在变化,这样可判断互感器已损坏。

B)主电路接口板电流、电压检测通道被损坏,也会出现过流。电路板损坏可能是:

1)由于环境太差,导电性固体颗粒附着在电路板上,造成静电损坏。或者 有腐蚀性气体,使电路被腐蚀。

2)电路板的零电位与机壳连在一起,由于柜体与地角焊接时,强大的电弧 ,会影响电路板的性能。

3)由于接地不良,电路板的零伏受干扰,也会造成电路板损坏。

C)由于连接插件不紧、不牢。例如电流或电压反馈信号线接触不良,会出现 过流故障时有时无的现象。

D)当负载不稳定时,建议使用DTC模式,因为DTC控制速度非常快,每隔25微 秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值,再经过电机转矩比较器和磁通比 较器的输出,优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关位置,这样有制过电流。

另外,速度环的自适应(AUTOTUNE)会自动调整PID参数,从而使变频器输出电机电流平稳。

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/xj54.html

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