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用于风力发电系统的大功率IGBT短路保护的研究

2012-08-03 09:44
seele_jin
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1 引言

  绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,igbt)被广泛用于各类pwm变流器,如ups、变频器、有源电力滤波器等。随着igbt制造工艺的发展,如今,igbt的额定电流和电压已分别提升到3600a和6500v,由大功率igbt构成的现代化兆瓦级变流器,广泛出现在各类工业应用当中,尤其是近年来,随着新能源发电技术的发展,中大功率igbt得到了更为广泛的应用。随着变流器容量的提升,变流器在整个系统的成本以及可靠性中所占的比重日益增大,因此,兆瓦级变流器的可靠性成为广泛关注的问题。

  本文针对igbt变流器中的短路故障问题,详细分析了igbt的短路特性,总结了各种短路电流检测方法,提出一种有效的有源短路保护方法,通过实验证明了其有效性。

2 短路时igbt失效的原因

  短路故障是电力电子装置中常见的故障之一。电机绕组绝缘击穿、电机电缆绝缘击穿、误操作、驱动指令错误、不足的死区时间……,都会造成短路故障的发生。

  通常,igbt短路故障致使igbt损坏的原因主要有以下三种。总的来说,这三种原因都可以归结为器件中硅材料或焊接导线的热效应所引起。

  (1)超出硅材料的热极限

  短路过程中,igbt承受整个vdc电压,同时ic为正常电流的若干倍。igbt将承受远大于正常运行状态下的损耗,从而使得igbt的结温迅速升高[2]。如果结温超过了允许的最高结温,igbt将因热积累作用失去阻断能力[1]。vce将迅速降低,随后整个器件完全损坏。通常,igbt生产厂家都会保证在特定情况下10μs的短路耐受时间。

  (2)igbt擎住效应

  在igbt中存在一个寄生的npn三极管,正常运行情况下,这个npn三极管被扩散电阻旁路,不会开通[1]。然而,在ic很大的情况下,例如短路发生时,这个npn三极管将开通,这样igbt门极将失去对igbt的控制力。最终,igbt将因为过大的电流使芯片和焊接导线上产生过大的损耗而损坏。

  (3)vce过电压

  在保护电路控制igbt主动关断由于短路引起的大电流时,由于分布电感的存在会产生vce过电压,vce超过了特定的限制。igbt将因雪崩击穿而损坏;与短路电流相等的ic将集中于一块很窄的硅上从而产生一个高温的热点,因此,igbt失去它的阻断能力,并在几十ns内失去电压。为了防止由于这类原因造成igbt失效,除了主回路的分布电感应尽可能地小[4],还需要一种带有vce控制的门极驱动器。

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