IGBT元件保護幾種方法以及優缺點

由於 IGBT元件電流、電壓能力的限製，在實際使用的大容量傳動裝置係統中，往往采用多並聯形式。如果發生某個IGBT元件擊穿等短路故障時，若不及時快速封鎖IGBT脈衝，就可能導致並聯回路中大量IGBT損壞
，擴大故障範圍。

在傳動裝置係統中
，進
、出線主回路一般都設置有霍爾ct，用於檢測主回路電流，並通過主控板的硬件和軟件來處理、判斷過流情況。如果發出重故障跳閘信號
，就要快速封鎖脈衝，保護IGBT元yuan件jian。其qi優you點dian是shi對dui負fu載zai引yin起qi的de過guo流liu保bao護hu效xiao果guo比bi較jiao明ming顯xian
，但dan缺que點dian是shi過guo流liu檢jian出chu到dao脈mai衝chong封feng鎖suo的de過guo程cheng時shi間jian太tai長chang，需xu要yao幾ji個ge毫hao秒miao，而er且qie直zhi流liu回hui路lu的de短duan路lu也ye保bao護hu不bu了le(實際係統中沒有直流回路電流檢測ct)。因此， 僅靠該保護方式顯然不能滿足IGBT保護的實際要求。

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vge或vce也會升高的這一現象，當vge或vce超過設定允許值時
，輸出信號去封鎖IGBT的脈衝。由於vge在發生故障時變化較小，難以掌握
，一般較少使用。而vce的變化較大，因此實際中一般常常采用vce監測法來對 IGBT進行保護。這種方法的優點是檢測靈敏，動作迅速
，有效地避免了並聯回路IGBT大麵積損壞。但這種方法的缺點也比較明顯：需要配線
，將每個 IGBT的集電極與發射極之間的電壓信號引入脈衝驅動板。另外由於IGBT關斷時，集電極與發射極之間的電壓比較高，需要增加脈衝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射極之間電壓vce對IGBT進行保護的一個例子。

2、IGBT門極電壓fb監控法

通過監控IGBT元件的門極電壓vge來判斷IGBT元 件是否損壞。如果判斷出IGBT元件損壞，立即快速封鎖傳動裝置中的所有IGBT元件
，其原理如圖2所示。這種方法的優點是結構簡單
，比較實用。缺點是隻有當某個IGBT損壞時才能判斷出，對一般的過流不起作用。而且，由於IGBT損壞短路時

，因為放大板上電容的作用
，門極電壓vce變化緩慢，一般需要經 過1ms左右的延遲才能正確判斷和封鎖脈衝，如圖3所示。在這期間，並聯回路大量IGBT就可能受到損害，擴大了故障範圍。

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、一種新型IGBT元件自損快速檢測法(即門極電流ig檢測法)

當IGBT元件損壞時，門極與發射極之間也被擊穿，但由於結電容的作用
，門極電壓變化緩慢。但根據電路理論i=cdu/dt可知，門極電流ig變化比門 極電壓vge快得多。因此，可以綜合IGBT的門極脈衝指令與門極電流來準確、快速地判斷IGBT是否損壞。一旦檢測到某個IGBT損壞，立即封鎖 IGBT脈衝指令，能完全避免並聯回路大量IGBT損壞，不會擴大故障範圍。具體原理圖如圖4所示。

IGBT元件正常時
，當門極電壓給定信號從on切換成off後
，IGBT門極電流ig數值比較小
，具體數值與IGBT元件有關，我們已經掌握了 三菱3.3kv/1.2ka大容量IGBT的電流數值以及延時時間。IGBT損壞時門極電流變化以及檢出如圖5所示。當檢測出IGBT有異常時
，立即發出 脈衝封鎖命令，防止故障擴大化。

該方式的優點是檢測、封鎖時間極短
，隻有幾個微秒，能完全避免IGBT大麵積損壞。缺點是在IGBT導通工作時，無法判斷其是否異常，隻有在 IGBT off指令發出時才可以判斷IGBT是否自損壞。


現場改造及效果

原來現場變頻器中采用的是門極電壓fb監控法。由於脈衝封鎖無法快速及時，在某個IGBT損壞時造成其它IGBT大麵積損壞，故障損失慘重
，必須對現場進行技術改造。

如果采用vce電壓監測法對IGBT過guo電dian流liu進jin行xing保bao護hu
，雖sui然ran比bi較jiao成cheng熟shu和he常chang用yong，但dan需xu要yao對dui原yuan變bian頻pin器qi大da動dong幹gan戈ge，主zhu回hui路lu要yao增zeng加jia很hen多duo接jie線xian，脈mai衝chong放fang大da板ban的de改gai動dong量liang也ye較jiao大da。同tong時shi由you於yu原yuan變bian頻pin器qi沒mei有you太tai多duo空kong間jian來lai布bu線xian及ji采cai取qu絕jue緣yuan措cuo施shi，無wu論lun從cong改gai造zao工gong作zuo量liang和he成cheng本ben上shang都dou不bu太tai可ke行xing。所suo以yivce電壓監測法不適合采用。

采用門極電流ig檢測法就方便
、簡單許多。隻要在原變頻器IGBT保護功能的基礎上進行局部改造，增加IGBT門極電流檢測功能即可。這樣一旦門極導通電流超過設定值
，且經過 x微秒左右的延時後，門極電流仍然超過設定值，就判斷該IGBT損壞或異常，立刻發出所有IGBT脈衝封鎖指令，及時進行有效保護，防止大麵積IGBT損壞。

圖6為改造後的保護原理圖
，其中灰色部分是新增的門極電流ig檢測功能部分。

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