保护电路设计方法-过电压保护.doc

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保护电路设计方法 — 过电压保护
2。过电压保护
⑴ 过电压的产生及抑制方法
① 过电压产生的原因
    对于IGBT开关速度较高,IGBT关断时及FWD逆向恢复时，产生很高的di/dt，由于模块周围的接线的电感,就产生了L di/dt电压（关断浪涌电压)。
    这里，以IGBT关断时的电压波形为例,介绍产生原因和抑制方法,以具体电路（均适用IGBT/FWD）为例加以说明。
    为了能观测关断浪涌电压的简单电路的图6中，以斩波电路为例，在图7中示出了IGBT关断时的动作波形.
    关断浪涌电压，因IGBT关断时，主电路电流急剧变化，在主电路分布电感上,就会产生较高的电压。关断浪涌电压的峰值可用下式求出：
VCESP=Ed＋(—L dIc/dt)
式中dlc/dt为关断时的集电极电流变化率的最大值；   VCESP为超过IGBT的C—E间耐压(VCES）以至损坏时的电压值。
②过电压抑制方法
    作为过电压产生主要因素的关断浪涌电压的抑制方法有如下几种：
1. 在IGBT中装有保护电路(=缓冲电路）可吸浪涌电压。缓冲电路的电容，采用薄膜电容，并靠近 IGBT配置，可使高频浪涌电压旁路.
2. 调整IGBT的驱动电路的VCE或RC，使di/dt最小。
3. 尽量将电件电容靠近IGBT安装，以减小分布电感，采用低阻抗型的电容效果更佳。
4. 为降低主电路及缓冲电路的分布电感,接线越短越粗越好,用铜片作接线效果更佳。
⑵ 缓冲电路的种类和特
    缓冲电路中有全部器件紧凑安装的单独缓冲电路与直流母线间整块安装缓冲电路二类。
① 个别缓冲电路
    为个别缓冲电路的代表例子，可有如下的缓冲电路
1. RC缓冲电路
2. 充放电形RCD缓冲电路
3. 放电阻止形RCD缓冲电路
    表3中列出了每个缓冲电路的接线图。特点及主要用途。
表3 单块缓冲电路的接线圈特点及主电用途
缓冲电路接线图
特点（注意事项)
主要用途
RC缓冲电路
· 关断浪涌电压抑制效果好.
· 最适合于斩波电路。
· 使用大容量IGBT时，必须使缓冲电阻值很小，这样开通时的集电极电流增大，IGBT功能受到限制。
焊接机
开关电源
充放电形
RCD缓冲电路
· 可抑制关断浪涌电压。
· 与Rc缓冲电路不同。因加了缓冲二极管使缓冲电阻变大，因而避开了开通时IGBT功能受到限制的问题。
· 与放电阻止形RCD缓冲电路相比，缓冲电路中的损耗（主要由缓冲电阻产生)非常大，因而不适用于高频开关用途。
· 在充放典型RCD缓冲电路中缓冲电阻产生的损耗可由下式求出。

式中
L：主电路中分布电感一
lo:IGBT关断时集电极电流
Cs：缓冲电容值
Ed:直流电源电压
f：开关频率

放电阻止形
缓冲电路
放电阻止形缓冲电路
· 有抑制关断浪涌电压效果.
· 最适合用于高频开关用途.
· 在缓冲电路中产生的损耗小。
· 在充放电形RCD缓冲电路的缓冲电阻上产生的损耗可用下式求出。

式中
L：主电路的分布电感
Io：IGBT关断时的集电极电流
f:开关频率
逆变器
② 整体缓冲电路
    作为这类缓冲电路的代表例子,有下面几种缓冲电路
1. C缓冲电路
2. RCD缓冲电路
    最近，为简化缓冲电路的设计，大多采用整体缓冲电路.表4列出了各种整体缓冲电路的接线图和特点,主要用途。表5中列出了采用整体缓冲电路时的缓冲电路容量的数值，图8示出了这类缓冲器开断波形的例子。
表4 整体缓冲电路的接线图特点及主要用途
缓冲电路接线图
特点（注意事项）
主要用途
C缓冲电路

· 电路最简单。
· 由主电路电感及缓冲电容构成谐振电路电压易产生振荡。
逆变器
RCD缓冲电路

· 缓冲二极管的选择错误,可产生较高的尖峰电压并在缓冲二极管反向恢复时，电压产生振荡.
逆变器

表5 整体(缓冲容量数值）
器件规格\项目
驱动条件
主电路分布电感
(µH)
缓冲电容值Cs
（µF）
-VCE（V)
RG(Ω)
600V
50A
≤15
≥51

0。47
75A
≥33
100A
≥24
150A
≥16
≤0.2
1.5
200A
≥9。1
≤0。16
2。2
300A
≥6。8
≤0。1
3.3
400A
≥4。7
≤0.08
4.7
1200V
50A
≥24

0.47
75A
≥16
100A
≥9。1
150A
≥5。6
≤0.2
1。5
200A
≥4.7
≤0。16
2.2
300A
≥2。7
≤0.1
3。3
样品:2MBI100N-060
Ed(Vcc）=300V
VGE＝＋15，－15V
RG=24 Cs＝0．47UF

⑶ 放电阻止形RCD缓冲电路设计方法
    作为IGBT缓冲电路，认为最合理的放电阻止形RCD缓冲电路的基本设计方法说明如下：
① 是否适用的研讨
图9 示出了使用放电阻止形RCD缓冲电路时关断时的动作轨迹图
    放电阻止形RCD缓冲器,当IGBT的C-E间电压超过直流电源电压时开始工作,其理想的动作轨迹用点线来表示。
    但是，在实际装置中’由於缓冲电路接线电感及缓冲二极管过渡正向电压下降的影响，关断时尖峰电压的存在，变成了向右扩张的，如实线所示。
    放电阻止形RCD缓冲电路是否时适用取决於关断时动作轨述能否收拔在IGBT的RBSOA内而定
另外.关断时的峰值电压可用下式求出：

式中     Ed：
VFM：
  Ls：
dlc/dt：
直流电源电压
缓冲二极管过渡止向电压降
缓冲电路的接线电感
关断时的集电极电流变化率的最大值
    缓冲二极管的一般过度正向电压降的参考值通常如下
 600V级:20—30V
1200V级:40～60V
②缓冲电容（Cs）容量值的计示方法
缓冲电容所必须的容量值可用下式求出:

式中     L：
Io：
VCEF：
Ed：
主电路的分布电感
IGBT关断时的集电极电流
缓冲电容电压的最终值
直流电源电压
    VCEF必须控制在小於IGBT的C-E间耐压值.此外，缓冲电容,要选用高频特性优良的电容（薄膜电容器等）。
③ 缓冲电阻(Rs）值的求法
    对缓冲电阻性能要求是IGBT能进行关断动作，能将缓冲电容上积聚电荷通放电来进行。IGBT关断时，以放电90%的积聚电荷为条件，由下式可求出缓冲电阻值。

    如果将缓冲电阻值设定得过低，缓冲电路冲电流可能振荡,由於IGBT接通时集电极电流峰值增加、在上式荡是的范围内，请设定在最高值为佳.
缓冲电阻产生的损耗P（Rs)和阻值系可由下式求得。

④ 缓冲二极管的选定
    缓冲二极管过渡正向电压降减小是关断时尖峰电压产生的主要原因之一。
    另外，缓冲二极管逆向恢复时间变长,在高频开关工作时，使缓冲二极管产生的损耗变大“，缓冲二极管的逆向恢复动作变得困难,在缓冲二极管逆向恢复动作时，IGBT的C—E间电压急剧增大且产生振荡。对于缓冲二极管,要选择过度正向电压低，逆向恢复时间短,逆向恢复特性较软（容易)的为佳。
⑤ 跟随电路接线上的注意事项
    由于缓冲电路的接线是导致尖峰电压产生的主要原因,所以，电路器件的配置，尽量使分布电感降低为好。