IGBT短路保护的应用及意义

STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.IGBT 在系统中的短路及其保护何晓东概述本文主要简单探讨IGBT 在低压中小功率系统使用中几种常用的短路保护，着重介绍采用检测Vce 的方式。

简单阐述了短路保护的工作原理以及保护线路设计的合理性。

短路保护方案介绍常用短路保护设计中，电流采样主要有三种方式，分别是： N-BUS （零线）分流电阻检测，输出霍尔检测，Vce 电压检测。

图1通过在母线回路中串联一个阻值很小电阻，根据欧姆定律将电压信号作为作为判别短路的依据。

这种方式具有较高的精度和灵敏度，而且能够保护对地短路，缺点是只适合小功率机器，大电流对电阻的功率要求太高。

随着霍尔的响应时间不断提升，使其不单具有换算电流大小的功能，还可以通过硬件电路实现对短路电流的保护。

由于霍尔检测的响应时间问题，可靠性相对低于其他两种方式。

由于霍尔传感器安装在输出端，所以没有办2010—09—23STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD.法保护上下管直通。

光耦保护IGBT是通过检测C-E电压来实现的，根据Vce与Ic之间关系，当Ic迅速上升，Vce跟着上升。

当Vce值上升到达保护点电压，那么光耦就会自身实现软关断，同时将错误信号送给DSP，整个过程一般在5-10us 之间。

由于此类保护灵敏度非常高，精度比较差，所以只适合短路保护。

图2为GD200HFL120C2S的Vce与Ic的关系图，随着Vce的上升，IC上升的幅度在变大，+7V时的Ic，其实远远超出了模块的短路电流。

在做动态短路测试时，L，Vg，tr，tf等参数有严格且稳定的控制，电流一般会被控制在8-10倍的Ic，如图3所示，但在系统上测试短路，由于开关特性、回路负载和干扰，电流往往会上升的比较高。

图2常见的短路保护驱动光耦（一）PC929PC929是变频器行业常见的驱动光耦，自带短路保护功能（PC923无保护），由于其输出峰值电流只有0.4A，在驱动较大功率IGBT时，需要在后端经过对管放大才能驱动IGBT。

IGBT的特性和应用由于功率MOSFET具有开关速度快，峰值电流大，容易驱动，安全工作区宽，dV/dt耐量高等优点，在小功率电子设备中得到了广泛应用。

但是由于导通特性受和额定电压的影响很大，而且工作电压较高时，MOSFET固有的反向二极管导致通态电阻增加，因此在大功率电子设备中的应用受至限制。

IGBT是少子器件，它不但具有非常好的导通特性，而且也具有功率MOSFET的许多特性，如容易驱动，安全工作区宽，峰值电流大，坚固耐用等，一般来讲，IGBT的开关速度低于功率MOSET，但是IR公司新系列IGBT的开关特性非常接近功率MOSFET，而且导通特性也不受工作电压的影响。

由于IGBT内部不存在反向二极管，用户可以灵活选用外接恢复二极管，这个特性是优点还是缺点，应根据工作频率，二极管的价格和电流容量等参数来衡量。

IGBT的内部结构，电路符号及等效电路如图1所示。

可以看出，除了P衬底外，IGBT的剖面与功率MOSFET相同。

尽管IGBT与功率MOSFET的结构有许多相同之处，但是IGBT的工作过程非常接近极型晶体管。

这是由于衬底P注入的少子使N区载流子浓度得到显著提高，产生电导通调制效应，从而降低了N区的导通压降。

而功率MOSFET的结构不利于电导调制，因此，在N区中产生很大在导通压降，对500V的MOSFET来说，该导通压降大约为70%。

如等效电路所示，IGBT可等效为N沟道MOSFET驱动PNP管的达顿结构。

结型场效应管JFET承受大部分电压，并且让MOSFET承受较低的电压，因此，IGBT具有较低的导通电阻RDS(ON).2.IGBT的特性2.1导通特性从等效电路图可以看出，IGBT两端的电压降是两个元件的压降之和：P-N 结的结压降和驱动用MOSFET两端的压降。

因此，与功率MOSFET不同，IGBT的通态压降不可能低于二极管导通压降。

另一方面驱动用MOSFET具有低压MOSFET 的典型特性，它的电压降与门极驱动电压有密切关系。

IGBT的保护功能1.IGBT的过流保护IGBT的过流保护电路可分为2类：一类是低倍数的（1.2～1.5倍）的过载保护；一类是高倍数（可达8～10倍）的短路保护。

对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输入端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。

这种过载电流保护，一旦动作后，要通过复位才能恢复正常工作。

IGBT 能承受很短时间的短路电流，能承受短路电流的时间与该IGBT的导通饱和压降有关，随着饱和导通压降的增加而延长。

如饱和压降小于2V的IGBT允许承受的短路时间小于5μs，而饱和压降3V的IGBT允许承受的短路时间可达15μs，4～5V时可达30μs以上。

存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低，IGBT的阻抗也降低，短路电流同时增大，短路时的功耗随着电流的平方加大，造成承受短路的时间迅速减小。

通常采取的保护措施有软关断和降栅压2种。

软关断指在过流和短路时，直接关断IGBT。

但是，软关断抗骚扰能力差，一旦检测到过流信号就关断，很容易发生误动作。

为增加保护电路的抗骚扰能力，可在故障信号与启动保护电路之间加一延时，不过故障电流会在这个延时内急剧上升，大大增加了功率损耗，同时还会导致器件的di/dt增大。

所以往往是保护电路启动了，器件仍然坏了。

降栅压旨在检测到器件过流时，马上降低栅压，但器件仍维持导通。

降栅压后设有固定延时，故障电流在这一延时期内被限制在一较小值，则降低了故障时器件的功耗，延长了器件抗短路的时间，而且能够降低器件关断时的di/dt，对器件保护十分有利。

若延时后故障信号依然存在，则关断器件，若故障信号消失，驱动电路可自动恢复正常的工作状态，因而大大增强了抗骚扰能力。

2． IGBT开关过程中的过电压关断IGBT时，它的集电极电流的下降率较高，尤其是在短路故障的情况下，如不采取软关断措施，它的临界电流下降率将达到数kA/μs。

IGBT功率元件的应用及保护技术摘要：随着科技水平的不断进步，半导体元件的制造技术以及工艺不断完善，主要的发展方向为功耗小，高电压，大电流，快通断，易保护，技术人员目前已经研发出了功率绝缘栅控双极性晶体管IGBT，功率场效应管MOSFET，双极性晶体管GTR等等，这些元件的应用促进了诸多相关领域的发展，也需要相关人员在实践的过程中不断研究，提高应用的水平。

关键词：IGBT功率元件；应用；保护技术在诸多的功率元件之中，IGBT晶体管的应用范围最广，这种元件集合了MOSFET和GTR的优点，是一种复合型的零件，具有速度快，输入阻抗数值比较高，驱动电路简单，极限工作温度比较高，阻抗高，开关损耗较小以及易驱动的特点，同时具有通态电压数值低，电流容量大，耐高压的特点，可以作为电压控制通断过程的自动关断元器件，使用的频率在MOSFET与晶体管之间，可以在数十千赫兹的情况下正常运行，IGBT广泛应用在噪音比较低，体积小，性能指标高的大功率交流伺服电机的调速系统以及变频电源之中，在这些系统的应用中占有主导的位置，逐渐取代了传统的MOSFET和GTR。

这种类型的晶体管在应用的过程中需要妥善处理保护电路和驱动电路，这是需要技术人员切实解决的。

一、IGBT功率元件的保护技术IGBT晶体管属于考电压进行驱动的元器件，本身具有较大的输入阻抗，同时具备3至6伏的设定电压数值，对于栅极电荷非常敏感，所以对于驱动电路的要求比较高。

IBGT主要采用栅极驱动的方式，其安全工作区域以及其自身的特性会随着栅极驱动电路整体性能的变化而发生一系列的变化，这些电路的情况直接决定了晶体管的工作状态，与一些自关断的器件相同，IGBT对于驱动电路有比较严格的要求，这也属于IGBT保护的关键性技术[1]。

（一）栅极电阻RGIGBT具有比较高的输入阻抗，通过测试得知阻抗的数值可以达到10亿以上欧姆，这种阻抗属于纯容性质，在没有直流电流的情况之下，栅极的发射极之间施加一定的电压只会产生极小的电流，产生的功率消耗基本可以忽略不计。

不间断电源(UPS)中IGBT的应用1.引言在UPS中使用的功率器件有双极型功率晶体管、功率MOSFET、可控硅和IGBT，IGBT既有功率MOSFET易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低，通态电流大的优点、使用IGBT成为UPS功率设计的首选，只有对IGBT的特性充分了解和对电路进行可靠性设计，才能发挥IGBT的优点。

本文介绍UPS中的IGBT的应用情况和使用中的注意事项。

2.IGBT在UPS中的应用情况绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种MOSFET与双极晶体管复合的器件。

它既有功率MOSFET 易于驱动，控制简单、开关频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低，通态电流大，损耗小的显著优点。

据东芝公司资料，1200V/100A的IGBT的导通电阻是同一耐压规格的功率MOSFET的1/10，而开关时间是同规格GTR的1/10。

由于这些优点，IGBT广泛应用于不间断电源系统（UPS）的设计中。

这种使用IGBT的在线式UPS具有效率高，抗冲击能力强、可靠性高的显著优点。

UPS主要有后备式、在线互动式和在线式三种结构。

在线式UPS以其可靠性高，输出电压稳定，无中断时间等显著优点，广泛用于通信系统、税务、金融、证券、电力、铁路、民航、政府机关的机房中。

本文以在线式为介绍对象，介绍UPS中的IGBT的应用。

在线式UPS电源具有独立的旁路开关、AC/DC整流器、充电器、DC/AC逆变器等系统，工作原理是：市电正常时AC/DC整流器将交流电整流成直流电，同时对蓄电池进行充电，再经DC/AC逆变器将直流电逆变为标准正弦波交流电，市电异常时，电池对逆变器供电，在UPS 发生故障时将输出转为旁路供电。

在线式UPS输出的电压和频率最为稳定，能为用户提供真正高质量的正弦波电源。

①旁路开关（ACBYPASSSWITCH）旁路开关常使用继电器和可控硅。

继电器在中小功率的UPS中广泛应用。

优点是控制简单，成本低，缺点是继电器有转换时间，还有就是机电器件的寿命问题。

浅谈IGBT原理及应用摘要：IGBT，它是一种新型的电力电子器件，在使用过程中方便控制、开关迅速快、工作频率高，凭借着自身一系列的优势被广泛使用在电力电子装置中，文章主要分析了IGBT技术的发展演进，阐述了IGBT结构以及工作原理，最后提出了IGBT的具体应用。

关键词：IGBT；结构；原理；应用1 IGBT技术发展演进IGBT技术起源于上个世纪80年代，无论是它的表面结构还是体结构，都经历了相对独立的发展和改进。

表面结构，也就是我们通常所说的金属氧化物半导体MOS结构，它经历了平面栅到沟槽栅的改进。

对于沟槽栅结构来说，在使用时借鉴了大规模集成电路工艺，常使用的硅干法刻蚀技术，它能有效地在通态电压和关断时间之间进行优化，而它的元胞结构使用的是宽元间距的设计，最常见的就是日立半导体以及三菱半导体的芯片。

在结构上来说，IGBT技术它经历了由非透明集电区到透明集电区到转变。

穿通技术载流子注入系数较高，需要对少数载流子寿命进行控制，能有效地降低运输效率变坏的问题，使用非穿通技术，不需要对少数的载流子寿命进行杀伤，能够具有较高的运输效率，然而载流子注入系数较低，因此，非穿通技术背心的含有缓冲层的新型体机构。

IGBT技术对于不同的供应商来说，它有不同的名字，但是它的基本原理都是相同的，在科学技术的推动之下，科学家又提出了反向通断型、反向导通型等新概念，能对IGBT性能进行全方位的优化【1】。

尤其是近年来，我国在进行IGBT技术发展过程中有了不小的成就。

尤其是在进行电磁炉、家用电器等小功率应用时，IGBT已经开始量化生产。

现阶段，功率电路在运作时仍然是高频化、高输出功率等等。

IGBT技术经过十几年的发展。

使得硅材料IGBT芯片的综合性能得到进一步的完善，IGBT技术在发展过程中另一项研究就是我们通常所说的封装技术，封装技术能有效地解决散热、热疲劳以及自身干扰问题【2】。

2 IGBT结构以及原理通过前文的介绍，IGBT结构，它是有MOSFET和双极型晶体管复合成的一种新器件。

IGBT的应用引言IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。

IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。

但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。

因此，IGBT的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。

为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。

但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出1700V，200～300A IGBT的驱动和保护电路。

1 IGBT的工作特性IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。

IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE（th）时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。

IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。

在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

2 IGBT驱动电路要求在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。

1）栅极正向驱动电压的大小将对电路性能产生重要影响，必须正确选择。

当正向驱动电压增大时，．IGBT的导通电阻下降，使开通损耗减小；但若正向驱动电压过大则负载短路时其短路电流IC随UGE增大而增大，可能使IGBT出现擎住效应，导致门控失效，从而造成IGBT的损坏；若正向驱动电压过小会使IGBT退出饱和导通区而进入线性放大区域，使IGBT过热损坏；使用中选12V≤UGE≤18V为好。

应用于风力发电的大功率IGBT驱动保护电路随着风力发电技术的不断进步，越来越多的风力发电机被投入使用。

在风力发电中，IGBT（绝缘栅双极晶体管）被广泛应用于风力发电机的变频器中，用于控制电机的电能输出和风力发电的整个过程。

而大功率IGBT驱动保护电路则是保护这些IGBT的关键部分。

一、大功率IGBT驱动保护电路的意义大功率IGBT驱动保护电路是为了保护风力发电机变频器中的IGBT而设计的一种电路。

IGBT作为风力发电机变频器的核心部件，负责将电能转换成机械能，并进行不同频率、不同电压的输出。

在风力发电的过程中，变频器中的IGBT受到的电压和电流都是很大的，同时高频电源的电压也对IGBT产生了很大的压力，如果IGBT的运行不能被有效保护，就有可能会引起其烧毁或损坏，从而对风力发电机的正常运行产生不利影响。

因此，大功率IGBT驱动保护电路是非常必要的。

二、大功率IGBT驱动保护电路的基本原理大功率IGBT驱动保护电路的基本原理是在IGBT的驱动电路中加入过流、过压、过热等保护电路。

在系统的设计中，IGBT的故障通常是由于内部电热、电压电流等因素引起的，因此，大功率IGBT驱动保护电路需要在这些方面进行有效的保护。

（1）过流保护在变频器的运行过程中，IGBT受到电流冲击时，可能会产生较大的能量，引起其过热烧毁，因此，过流保护是很必要的。

对于系统中的IGBT，可以通过电流传感器进行测量，通过对电流大小的测量，在IGBT的驱动电路中加入保护电路，当电流大小超过一定的阀值时，保护电路就会起到保护作用。

（2）过压保护风力发电机的变频器在运行过程中，如果瞬间出现高电压，就很可能会对IGBT造成损伤。

因此，过压保护是非常必要的。

在大功率IGBT驱动保护电路中，可以使用Zener二极管或压敏电阻作为过压保护器件，当电压突然上升时，就会使得这些保护器件在短时间内短路，从而保护IGBT。

（3）过热保护IGBT的运行温度较高，通常需要对其进行过热保护。

IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用及原理IGBT高压大功率驱动和保护电路的应用及原理通过对功率器件IGBT的工作特性分析、驱动要求和保护方法等讨论，介绍了的一种可驱动高压大功率IGBT的集成驱动模块HCPL-3I6J的应用关键词：IGBT；驱动保护电路；电源IGBT在以变频器及各类电源为代表的电力电子装置中得到了广泛应用。

IGBT集双极型功率晶体管和功率MOSFET的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点。

但是，IGBT和其它电力电子器件一样，其应用还依赖于电路条件和开关环境。

因此，IGBT 的驱动和保护电路是电路设计的难点和重点，是整个装置运行的关键环节。

为解决IGBT的可靠驱动问题，国外各IGBT生产厂家或从事IGBT应用的企业开发出了众多的IGBT驱动集成电路或模块，如国内常用的日本富士公司生产的EXB8系列，三菱电机公司生产的M579系列，美国IR公司生产的IR21系列等。

但是，EXB8系列、M579系列和IR21系列没有软关断和电源电压欠压保护功能，而惠普生产的HCLP一316J有过流保护、欠压保护和1GBT软关断的功能，且价格相对便宜，因此，本文将对其进行研究，并给出1700V，200～300A IGBT的驱动和保护电路。

1 IGBT的工作特性IGBT是一种电压型控制器件，它所需要的驱动电流与驱动功率非常小，可直接与模拟或数字功能块相接而不须加任何附加接口电路。

IGBT的导通与关断是由栅极电压UGE来控制的，当UGE大于开启电压UGE(th)时IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向或不加信号时，IGBT被关断。

IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，其主要作为开关器件应用。

在驱动电路中主要研究IGBT的饱和导通和截止两个状态，使其开通上升沿和关断下降沿都比较陡峭。

2 IGBT驱动电路要求在设计IGBT驱动时必须注意以下几点。

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。

（国内标准）IGBT驱动保护及典型应用IGBT驱动保护及典型应用Sy摘要IGBT（绝缘栅双极晶体管）是壹种复合了功率场效应管和电力晶体管的优点而产生的壹种新型复合器件,它同时具有MOSFET的高速开关及电压驱动特性和双极晶体管的低饱和电压特性，易实现较大电流的能力，既具有输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点。

近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件，且得到越来越广泛的应用。

本文主要介绍了IGBT的基本结构、工作原理、驱动电路，同时简要概括了IGBT模块的选择方法和保护措施等，最后对IGBT的实际典型应用进行了分析介绍，通过对IGBT 的学习，来探讨IGBT于当代电力电子领域的广泛应用和发展前景。

关键词：IGBT；绝缘栅双极晶体管；驱动电路；保护电路；变频器；电力电子器件目录引言11、IGBT的基本结构12、IGBT的工作原理32.1 IGBT的工作特性33、IGBT的驱动53.1驱动电路设计要求53.2 几种常用IGBT的驱动电路64、IGBT驱动保护74.1 驱动保护电路的原则74.2 IGBT栅极的保护84.3 IGBT的过电流保护94.3.1 驱动过流保护电路的驱动过流保护原则94.3.2 IGBT过流保护电路设计94.3.3具有过流保护功能的IGBT驱动电路的研究114.5 IGBT的过热保护154.6 IGBT驱动保护设计总结155.IGBT专用集成驱动模块M57962AL介绍16结论20参考文献21引言随着国民经济各领域和国防工业对于电能变换和处理的要求不断提高，以及要满足节能和新能源开发的需求，作为电能变换装置核心部件的功率半导体器件也起着越来越重要的作用。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）自1982年由GE公司和RCA公司宣布以来，引起世界许多半导体厂家和研究者的重视，伴随而来的是IGBT的技术高速发展，其应用领域不断扩展它不仅于工业应用中取代了MOSFET和GTR（GiantTransistor，巨型晶体管），甚至已扩展到SCR（Silicon ControlledRectifier，可控硅整流器）和GTO（GateTurn-OffThyristor，门控晶闸管）占优势的大功率应用领域，仍于消费类电子应用中取代了BJT和MOSFET 功率器件的许多应用领域IGBT额定电压和额定电流所覆盖的输出容量已达到6MVA，商品化IGBT模块的最大额定电流已达到3.6kA，最高阻断电压为6.5kV，且已成功应用于许多中、高压电力电子系统中。

IGBT短路保护的应用及意义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。

工业电机驱动中的IGBT过流和短路保护
 摘要
 工业电机驱动的整个市场趋势是对更高效率以及可靠性和稳定性的要求不断提高。

功率半导体器件制造商不断在导通损耗和开关时间上寻求突破。

有关增加绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)导通损耗的一些权衡取舍是：更高的短路电流电平、更小的芯片尺寸，以及更低的热容量和短路耐受时间。

这凸显了栅极驱动器电路以及过流检测和保护功能的重要性。

本文讨论现代工业电机驱动中成功可靠地实现短路保护的问题，同时提供三相电机控制应用中隔离式栅极驱动器的实验性示例。

 工业环境中的短路
 工业电机驱动器的工作环境相对恶劣，可能出现高温、交流线路瞬变、机械过载、接线错误以及其它突发情况。

其中有些事件可能会导致较大的过流流入电机驱动器的功率电路中。

图1显示了三种典型的短路事件。

IGBT过流与短路保护IGBT过流与短路保护IGBT是高频开关器件，芯片内部的电流密度大。

当发生过流或短路故障时，器件中流过的大于额定值的电流时，极易使器件管芯结温升高，导致器件烧坏。

因此，对IGBT的过流或短路保护响应时间必须快，必须在10us以内完成。

应用实践表明：过电流是IGBT电力电子线路中经常发生的故障和损坏IGBT的主要原因之一，过流保护应当首先考虑。

须指出的是：过流与短路保护是两个概念，它们既有联系也有区别。

过流大多数是指某种原因引起的负载过载；短路是指桥臂直通，或主电压经过开关IGBT的无负载回路，它们的保护方法也有一定区别。

如过流保护常用电流检也传感器，短路保护常通过检测IGBT饱和压降，配合驱动电路来实现。

不同的功率有不同的方法来实现过流或短路保护。

1、小功率IGBT模块过流保护对于小功率IGBT模块，通常采用直接串电阻的方法来检测器件输出电流，从而判断过电流故障，通过电阻检测时，无延迟；输出电路简单；成本低；但检测电路与主电路不隔离，检测电阻上有功耗，因此，只适合小功率IGBT模块。

比如：5.5KW以下的变频器。

2、中功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护中功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护，一种方法是仍然采用电阻检测法，为了降低电阻产生功耗及发热生产的影响，可把带散热器件的取样电阻固定在散热器上，以测量更大的电流。

３、中、大功率IGBT模块的电流检测与过流、短路保护对于大、中功率IGBT模块的电流检测与过流保护常采用电流传感器。

但需注意要选择满足响应速度要求的电流传感器。

由于需要配置检测电源，成本较高，但检测电路与主电路隔离，适用于大功率的IGBT模块。

保护电路动作的时间须在10us之内完成。

4、通过检测IGBT饱和压降实现短路保护IGBT通常工作在逆变桥上，并处于开关工作状态，若设计不当，易于发生短路现象。

对于短路保护，常用的方法是通过检测IGBT的饱和压降Vce(sat)来实现短路保护，它往往配合驱动电路来实现，其基本原理如图所示：当过流或者短路发生时，设定一个参考电压Vref，一旦通过快恢复二极管检测的Vce(sat) ≥Ｖref时，保护电路动作，保护电路必须在10us之内将IGBT关断。

新型的IGBT短路保护电路的设计固态电源的基本任务是安全、可靠地为负载提供所需的电能。

对电子设备而言，电源是其核心部件。

负载除要求电源能供应高质量的输出电压外，还对供电系统的可靠性等提出更高的要求。

IGBT是一种目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，开关频率高，广泛应用于各类固态电源中。

但如果控制不当，它很容易损坏。

一般认为IGBT损坏的主要原因有两种：一是IGBT退出饱和区而进入了放大区使得开关损耗增大;二是IGBT发生短路，产生很大的瞬态电流，从而使IGBT损坏。

IGBT的保护通常采用快速自保护的办法?即当故障发生时，关断IGBT驱动电路，在驱动电路中实现退饱和保护;或者当发生短路时，快速地关断IGBT。

根据监测对象的不同IGBT 的短路保护可分为Uge监测法或Uce监测法?二者原理基本相似，都是利用集电极电流IC升高时Uge或Uce也会升高这一现象。

当Uge或Uce超过Uge sat或Uce sat时，就自动关断IGBT的驱动电路。

由于Uge在发生故障时基本不变，而Uce的变化较大，并且当退饱和发生时Uge变化也小难以掌握，因而在实践中一般采用Uce监测技术来对IGBT 进行保护。

本文研究的IGBT保护电路，是通过对IGBT导通时的管压降Uce进行监测来实现对IGBT的保护。

采用本文介绍的IGBT短路保护电路可以实现快速保护，同时又可以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，该电路有广阔的应用前景。

该电路已经成功地应用在某型高频逆变器中。

1 短路保护的工作原理图1(a)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1(b)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)。

大功率IGBT模块软关断短路保护策略姚文海;程善美;孙得金【摘要】大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块在电力电子设备中的运用越来越广泛,其对驱动器的性能要求也越来越高.IGBT可以承受短路的时间非常短,短路时最大电流远远超过额定值,单位时间功耗也远远高于正常工作状态,且直接关断IGBT 会产生非常高的关断尖峰电压.提出缓慢降低IGBT门级电压的软关断策略,驱动器检测到IGBT短路后用0V驱动电压立即执行软关断动作,当电流降到一定值后再使用负压正常关断.此策略可以使驱动器更早地采取保护措施,限制IGBT短路电流,减小IGBT短路功耗并控制关断尖峰电压.硬关断策略短路保护实验和软关断策略短路保护实验的结果对比验证了软关断策略的优势.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2014(044)009【总页数】4页(P77-80)【关键词】绝缘栅双极晶体管;软关断;短路保护【作者】姚文海;程善美;孙得金【作者单位】华中科技大学自动化学院,湖北武汉430074;华中科技大学自动化学院,湖北武汉430074;武汉征原电气有限公司,湖北武汉430012【正文语种】中文【中图分类】TM46随着电力电子技术的发展，大功率IGBT模块越来越广泛地运用于电力电子设备中。

IGBT的可靠运行是电力电子系统正常工作的关键。

IGBT短路时电流大，功耗大，如果不能迅速采取保护措施IGBT可能会被热击穿。

由于连接IGBT模块的母线存在杂散电感，如果IGBT关断速度过快，会产生较大的关断尖峰电压，该尖峰电压会损坏IGBT模块。

对于大功率的IGBT模块，实际使用时较少采用缓冲电路，一般采用TVS钳位电路限制IGBT关断时的电压尖峰。

本文结合IGBT的工作特性和驱动器的结构，提出一种基于改变门极电压和电阻的软关断策略，当驱动器检测到短路后立即缓慢降低IGBT门极电压，从而限制IGBT短路时间、短路电流、短路功耗和关断产生的尖峰电压，有效保护IGBT模块。

IGCT技术在电力系统短路保护中的应用研究随着电力系统的不断发展和电力负荷的不断增长，电力系统的可靠性和稳定性变得尤为重要。

而在电力系统运行过程中，短路故障是最常见的故障形式之一，它可能导致系统的失效、设备的损坏甚至人身安全的威胁。

因此，研究和应用新型的保护技术成为保障电力系统运行安全和稳定性的重要手段。

本文将重点探讨IGCT 技术在电力系统短路保护中的应用研究。

首先，我们来了解一下IGCT技术的基本概念和优势。

IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）集成了晶体管和可控硅的特性，是一种高压、大功率的电力开关设备。

与传统的保护设备相比，IGCT在性能上具有明显的优势。

首先，IGCT具有更高的可靠性和稳定性，能够提供更准确、更快速的短路保护响应。

其次，IGCT还具有更高的电流承受能力和更小的开关损耗，能够有效减少系统的能量消耗和热量损失。

此外，IGCT还具有更高的短路电流极限和更低的电压丢失，能够提高系统的负载能力和电压稳定性。

在电力系统短路保护中的应用研究中，IGCT技术主要包括短路检测、短路保护和短路消除三个方面。

首先，短路检测是短路保护的前提和基础。

传统的短路检测方法主要基于电流和电压传感器，通过监测电流和电压波形的变化来判断是否存在短路故障。

然而，传统的方法往往存在检测精度不高、响应速度慢等问题。

而采用IGCT技术，在集成了晶体管和可控硅的特性后，可以提供更高的检测精度和更快的响应速度。

IGCT作为开关装置，能够实时监测电流和电压的变化，并通过根据设定的短路保护参数进行判断和处理。

同时，IGCT还具有较好的抗干扰性能，能够减少误报和误动的发生。

其次，短路保护是短路检测的重要环节，其目的是在检测到短路故障后，迅速切断故障电路，保护系统的正常运行。

传统的短路保护方法主要基于开关器件和保护继电器的组合，但存在着动作时间长、误动率高等问题。

而采用IGCT技术的短路保护系统具有更短的动作时间和更低的误动率。