電路分析：IGBT保護的方式有哪些

圖 1 一個典型的逆變器拓撲

上圖是一個典型的三相逆變器拓撲結構，在這個圖里面我們直接給出了經過直流母線之后的主電路拓撲，這個逆變器的工作典型流程是這樣的：

首先主接觸器接受控制命令吸合之后，母線電壓通過預充電電阻、二極管VD201給電容充電。后端電壓傳感器檢測電容電壓達到一定值之后預充電接觸器吸合短接預充電電阻母線電壓正常接入主回路母線電壓正常，逆變器開始工作

上面簡單的梳理了一下逆變器正常工作的動作順序。這種拓撲結構一切都是從保護核心器件IGBT出發的，現在我們簡要的梳理一下IGBT保護的方式到底有那些。

主回路保護

圖 2 主回路前級保護

上圖中熔斷器FU201是主回路的第一個保護原件，我們知道在IGBT發生短路的時候會瞬間產生很高的短路電流，此時短路電流超過熔斷器能夠承受的最大電流，熔斷器斷開主回路切斷，避免因為短路造成更大的破壞。

圖 3 預充電保護

上圖中預充電電阻R201是主回路的第二重保護，在主接觸器吸合后首先要給中間的支撐電容充電，此時如果直接短接預充電接觸器會產生瞬間非常高的充電電流，此時如果直接短接預充電電阻則這個電流會直接施加到熔斷器上，會直接導致熔斷器因為過流而熔斷，所以此時通過一個預充電電阻來給后端的支撐電容充電，等支撐電容電壓達到母線電壓的90%的時候接通預充電接觸器短接預充電電阻接入母線電壓。

圖 4 支撐電容

在上圖中支撐電容是對IGBT的第三重保護，此處支撐電容一般都會與電阻并聯行程一個“網絡”電阻一般都是參數相同的電阻，電容也是參數相同的同批次電容這樣做有以下好處：

1.在逆變電路中主要是對整流器的輸出電壓進行平滑濾波。

2.吸收來自于逆變器向母線索取的高幅值脈動電流，阻止其在母線的阻抗上產生高幅值脈動電壓，使直流母線上的電壓波動保持在允許范圍。

3.防止來自于母線的電壓過沖和瞬時過電壓對IGBT的影響。

以上是主回路部分對IGBT保護，因為IGBT是一個高頻的開關器件，因此也要從IGBT的外圍電路來著手。

IGBT器件直接保護

上圖我們總結了導致IGBT損害的原因，分別有電流超限、電壓超限、溫度超限和溫度循環沖擊、震動等等因素，既然上述因素能夠導致IGBT的損壞那么我們在設計一個具體的電路的時候必然要從預防上述因素來著手。

圖 5 IGBT損壞歸因

如上圖所示在驅動電路中我們經常能夠看到類似的電路，該電路實現了門極箝位：用肖特基二極管和電源電壓將Vge限在15V，限制短路電流。

如上圖所示，驅動電路中經常會用到類似的電路結構稱為有源箝位：主要通過檢測Vce，延緩IGBT關斷，進而限制di/dt和電壓尖峰。

圖 6 門極箝位

在發生短路情況時，后端比較器檢測到短路之后驅動模塊輸出較高阻抗，等效于很大的門極電阻值，限制di/dt和電壓尖峰。實現對IGBT的軟關斷。

以上從驅動部分介紹了IGBT的幾個保護電路，實際應用中這些電路都有用到，但不一定在每一個案例中都會同時出現，具體采用何種保護模式與實際應用的功率有很大的關系，比如在一些小功率的應用中對驅動保護部分的考慮肯定就相對要簡單一些，在實際功率比較大的應用中考慮的情況就更復雜。

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