【導讀】IGBT元件往往采用多并聯(lián)形式，因此如果某個(gè)IGBT元件發(fā)生故障，將會(huì )導致并聯(lián)回路中的大量IGBT損壞。而常用的快速檢測方法中或多或少存在著(zhù)一些無(wú)法避免的缺點(diǎn)，因此需要一種新的快速檢測法來(lái)滿(mǎn)足滿(mǎn)足IGBT保護的實(shí)際要求。
IGBT元件保護幾種方法以及優(yōu)缺點(diǎn)
由于 IGBT元件電流、電壓能力的限制，在實(shí)際使用的大容量傳動(dòng)裝置系統中，往往采用多并聯(lián)形式。如果發(fā)生某個(gè)IGBT元件擊穿等短路故障時(shí)，若不及時(shí)快速封鎖IGBT脈沖，就可能導致并聯(lián)回路中大量IGBT損壞，擴大故障范圍。
在傳動(dòng)裝置系統中，進(jìn)、出線(xiàn)主回路一般都設置有霍爾ct，用于檢測主回路電流，并通過(guò)主控板的硬件和軟件來(lái)處理、判斷過(guò)流情況。如果發(fā)出重故障跳閘信號，就要快速封鎖脈沖，保護IGBT元件。其優(yōu)點(diǎn)是對負載引起的過(guò)流保護效果比較明顯，但缺點(diǎn)是過(guò)流檢出到脈沖封鎖的過(guò)程時(shí)間太長(cháng)，需要幾個(gè)毫秒，而且直流回路的短路也保護不了(實(shí)際系統中沒(méi)有直流回路電流檢測ct)。因此， 僅靠該保護方式顯然不能滿(mǎn)足IGBT保護的實(shí)際要求。
為此，還必須采取其它的快速檢測方法。目前常用的方法有以下幾種：
1、IGBT vce電壓監測法
這是比較常用的方法。利用集電極電流ic升高時(shí)vge或vce也會(huì )升高的這一現象，當vge或vce超過(guò)設定允許值時(shí)，輸出信號去封鎖IGBT的脈沖。由于vge在發(fā)生故障時(shí)變化較小，難以掌握，一般較少使用。而vce的變化較大，因此實(shí)際中一般常常采用vce監測法來(lái)對 IGBT進(jìn)行保護。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是檢測靈敏，動(dòng)作迅速，有效地避免了并聯(lián)回路IGBT大面積損壞。但這種方法的缺點(diǎn)也比較明顯：需要配線(xiàn)，將每個(gè) IGBT的集電極與發(fā)射極之間的電壓信號引入脈沖驅動(dòng)板。另外由于IGBT關(guān)斷時(shí)，集電極與發(fā)射極之間的電壓比較高，需要增加脈沖放大板相應的絕緣與電位 隔離措施。圖1是利用檢測集電極與發(fā)射極之間電壓vce對IGBT進(jìn)行保護的一個(gè)例子。
圖1：vce電壓監測以及保護的原理
通過(guò)監控IGBT元件的門(mén)極電壓vge來(lái)判斷IGBT元 件是否損壞。如果判斷出IGBT元件損壞，立即快速封鎖傳動(dòng)裝置中的所有IGBT元件，其原理如圖2所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，比較實(shí)用。缺點(diǎn)是只有當某個(gè)IGBT損壞時(shí)才能判斷出，對一般的過(guò)流不起作用。而且，由于IGBT損壞短路時(shí)，因為放大板上電容的作用，門(mén)極電壓vce變化緩慢，一般需要經(jīng) 過(guò)1ms左右的延遲才能正確判斷和封鎖脈沖，如圖3所示。在這期間，并聯(lián)回路大量IGBT就可能受到損害，擴大了故障范圍。
圖2：門(mén)極電壓檢測以及保護原理圖
圖3：IGBT損壞時(shí)門(mén)極電壓變化及檢出
[page]3、一種新型IGBT元件自損快速檢測法(即門(mén)極電流ig檢測法)
當IGBT元件損壞時(shí)，門(mén)極與發(fā)射極之間也被擊穿，但由于結電容的作用，門(mén)極電壓變化緩慢。但根據電路理論i=cdu/dt可知，門(mén)極電流ig變化比門(mén) 極電壓vge快得多。因此，可以綜合IGBT的門(mén)極脈沖指令與門(mén)極電流來(lái)準確、快速地判斷IGBT是否損壞。一旦檢測到某個(gè)IGBT損壞，立即封鎖 IGBT脈沖指令，能完全避免并聯(lián)回路大量IGBT損壞，不會(huì )擴大故障范圍。具體原理圖如圖4所示。
圖4：門(mén)極電流檢測以及保護原理圖
該方式的優(yōu)點(diǎn)是檢測、封鎖時(shí)間極短，只有幾個(gè)微秒，能完全避免IGBT大面積損壞。缺點(diǎn)是在IGBT導通工作時(shí)，無(wú)法判斷其是否異常，只有在 IGBT off指令發(fā)出時(shí)才可以判斷IGBT是否自損壞。
圖5：IGBT損壞時(shí)門(mén)極電流變化以及檢出
現場(chǎng)改造及效果
原來(lái)現場(chǎng)變頻器中采用的是門(mén)極電壓fb監控法。由于脈沖封鎖無(wú)法快速及時(shí)，在某個(gè)IGBT損壞時(shí)造成其它IGBT大面積損壞，故障損失慘重，必須對現場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)改造。
如果采用vce電壓監測法對IGBT過(guò)電流進(jìn)行保護，雖然比較成熟和常用，但需要對原變頻器大動(dòng)干戈，主回路要增加很多接線(xiàn)，脈沖放大板的改動(dòng)量也較大。同時(shí)由于原變頻器沒(méi)有太多空間來(lái)布線(xiàn)及采取絕緣措施，無(wú)論從改造工作量和成本上都不太可行。所以vce電壓監測法不適合采用。
采用門(mén)極電流ig檢測法就方便、簡(jiǎn)單許多。只要在原變頻器IGBT保護功能的基礎上進(jìn)行局部改造，增加IGBT門(mén)極電流檢測功能即可。這樣一旦門(mén)極導通電流超過(guò)設定值，且經(jīng)過(guò) x微秒左右的延時(shí)后，門(mén)極電流仍然超過(guò)設定值，就判斷該IGBT損壞或異常，立刻發(fā)出所有IGBT脈沖封鎖指令，及時(shí)進(jìn)行有效保護，防止大面積IGBT損壞。
圖6：改造后的保護原理圖
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