东芝V/F变频器IGBT过电压保护电路的分析及特点

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【摘要】本文结合实际工作经验，从变频器中IGBT模块的应用特点及损坏机理出发，并以东芝V/F变频器为例，就igbt过电压保护的特点及应用进行了分析与探讨。

【关键词】变频器;IGBT;过电压保护电路

IGBT（绝缘栅极晶体管）是一种增强型场控（电压）复合器件，具有载流密度大、耐压高、驱动功率小、开关速度快、热稳定性好等多种优点。近年来，随着大功率IGBT的研制与应用，为提高电子装置性能，尤其是为变频器装置的小型化、高效化和低噪声提供了有利的条件。对于一台较大功率的IGBT变频器装置而言，IGBT模块是装置中最昂贵也是最为核心部件，因此做好对IGBT模块的保护工作极为重要。

一、东芝V/F变频器IGBT的应用特点及损坏机理分析

东芝V/F变频器作为一款中频变频器，它是基于IGBT模块，并采用80C196MC作为控制专用芯片的SPWN控制方式的中频器，因其所具有驱动简单、可靠性能好、开关频率特性好、保护方便、通态压较低以及综合性价比优异等多方面特点，在业界多个领域中都有着广泛的应用。

1.东芝V/F变频器IGBT的应用特点

东芝V/F变频器中所采用80C196MC，是16位微控制芯片，其中内设的三相波形发生器WFG，可以独立的进行SPWM控制以及产生三对PWN波形，从而使得变频器的输出能接近正弦波的可控电压。同时，采用SPWN控制方法，并配合高开关频率的IGBT模块，能够将载波开关频率提高到17.5KHZ（一般在10～17.5KHZ中选取）。该大功率模块IGBT在东芝V/F变频器中的应用，还可以通过施加正向门极电压形成沟道，并提高晶体管基极电流使其因流过反向门极电流而关断，从而使得变频器的门极控制电路被极大简化。其具体应用特点，还包括了：

（1）高输入阻抗。大功率IGBT关闭时所泄漏的电流也极小，损耗几乎可忽略不计，采用极小的栅极电压即可控制变频器中元件的开闭。

（2）高速元件。采用大功率IGBT进行元器件关断的时间，相比采用GTO等其它元件的时间更短，且开关损耗更小。

（3）可正常切断。IGBT模块属于可自消弧的元件，模块内部无过电压吸收电路，因此电路的构成简单。

（4）大电流控制。IGBT模块的电流密度高，采用功率相对较小的元件即可控制大电流。

2.损坏机理

IGBT因其高输入阻抗、工作频率高、饱和压降低等多种优点，成为大功率变频器中的首选功率器件，但IGBT和晶体管一样，其抗过载能力不高。在东芝V/F变频器IGBT的实际使用中，当出现短路事故等原因时， IGBT上会出现过电压、过电流通过的情况。一旦出现过电流、过电压情况，IGBT模块自身的温度会急剧上升，从而造成永久性的损坏。

二、东芝V/F变频器IGBT的过电压保护电路分析

当前，东芝变频器IGBT过电压主要可分为集―射过电压、栅―射过电压、高dv/dt所致过电压等几类。对于高dv/dt所导致的过电压故障，简单而有效的保护方法即是采用电压钳位，在IGBT集―栅两端并接齐纳二极管，采用栅极电压动态控制，当集电极电压瞬间超过齐纳二极管的钳位电压时，超出的电压将叠加在栅极上，从而有效避免了IGBT因受到过电压而损坏。其它两种过电压的保护电路设计如下：

1.IGBT栅极过电压保护电路设计

如果IGBT栅极与发射极之问的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定正常地工作，如果过高，超过栅极一发射极之问的耐压则IGBT可能永久性损坏;IGBT的栅极一发射极驱动电压%。的保证值为±20V，如果在它的栅极与发射极之间加上超出保证值的电压，则可能会损坏IGBT，因此，在IGBT的驱动电路中应当设置栅压限幅电路。另外，若IGBT的栅极与发射极问开路，而在其集电极与发射极之间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于栅极与集电极和发射极之问寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极一发射极有电流流过。这时若集电极和发射极问处于高压状态时，可能会使IGBT发热甚至损坏。IGBT的栅极出现过电压的原因有两个：

（1）因静电聚集在栅极电容上引起过电压，可能会损坏栅极结构。

（2）电容密勒效应引起的栅极过电压，会导致电流的猛烈上升。

如果变频器在运输或振动过程中使得栅极回路断开，在不被察觉的情况下给主电路加上电压，则IGBT可能会损坏。为防止此类情况发生，应在IGBT的栅极与发射极间并接一只几十kΩ的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发射极，如图1所示。由于IGBT和短路耐量之间的折中关系，可将栅极电压选为：十VG=15±10%V;一VG=5～10V。

图1 栅极过电压保护电路

2.集电极与发射极间的过电压保护电路设计

变频器IGBT的栅极―发射极过电压的产生主要有以下两种情况：

（1）直流过电压保护

施加到IGBT集电极一发射极问的直流电压过高，而引发直流过压产生的原因是，由于输入交流电源或IGBT的前一级输入发生异常所致。解决的办法是在选取IGBT时，进行降额设计;另外，可在检测出这一过压时分断IGBT的输入，以保证IGBT的安全。

（2）浪涌过电压

集电极一发射极上的浪涌电压过高是因为电路中分布电感的存在，加之IGBT的开关速度较高，当IGBT关断瞬间与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时，就会产生很大的浪涌电压L×di/dt，威胁IGBT的安全。通常IGBT的浪涌电压波形如图2所示。在图2中，UCE为IGBT集电极一发射极问的电压波形;ic为IGBT的集电极电流;Vd为输入IGBT的直流电压;VCESP=Vd+L×di/dt为浪涌电压峰值。如果VCESP超出IGBT的集电极一发射极间耐压值UCE，就可能损坏IGBT。通常集电极电流越大，则关断时的浪涌电压越大。解决的办法主要有：

①在选取IGBT时考虑设计裕量。

②在电路设计时调整IGBT驱动电路的R。，使di/dt尽可能小。

③尽量将电解电容靠近IGBT安装，以减小分布电感。

④根据情况加装过电压保护电路。

图2 变频器IGBT的浪涌电压波形

在图3中即为东芝变频器中加装的过电压保护电路。在该保护电路中，集电极到栅极电容CGC和栅极到发射极电容CGE组成了动态分压器。当高端IGBT（VT2）开通时，低端IGBT（VTl）的发射极上的dv/dt，会在其栅极上产生正电压脉冲，从而有效实现了过电压保护。对于变频器IGBT，脉冲的幅值与栅极驱动电路阻抗和dv/dt的实际数值有着直接的联系，因此在该电路中还分别采用了由R1和D1，R2和D2所组成的尖峰电压吸收回路，以避免IGBT被过高的尖峰脉冲电压所损坏。

图3 变频器过电压保护电路

三、总结

本文从变频器中大功率IGBT模块的应用特点及损坏机理出发，并以东芝V/F变频器为例，就IGBT过电压保护的特点及应用进行了分析与探讨。为了确保IGBT在厂商规定的安全工作区内可靠的工作，必须对IGBT采取必要的过电压保护措施，并做好过电压保护电路的设计工作，以提高变频器系统运行的安全性与可靠性。

参考文献

[1]黄家善，王廷.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]李自先，黄哲.变频器实用技术与维修精要[M].北京：人民邮电出版社，2009.