固態電源的基本任務是安全、可靠地為負載提供所需的電能。對電子設備而言，電源是其核心部件。負載除要求電源能供應高質量的輸出電壓外，還對供電系統的可靠性等提出更高的要求。 ＩＧＢＴ是一種目前被廣泛使用的具有自關斷能力的器件，開關頻率高，廣泛應用于各類固態電源中。但如果控制不當，它很容易損壞。一般認為ＩＧＢＴ損壞的主要原因有兩種：一是ＩＧＢＴ退出飽和區而進入了放大區，使得開關損耗增大；二是ＩＧＢＴ發生短路，產生很大的瞬態電流，從而使ＩＧＢＴ損壞。ＩＧＢＴ的保護通常采用快速自保護的辦法，即當故障發生時，關斷ＩＧＢＴ驅動電路，在驅動電路中實現退飽和保護；或者當發生短路時，快速地關斷ＩＧＢＴ。根據監測對象的不同，ＩＧＢＴ的短路保護可分為Ｕge監測法或Ｕce監測法，二者原理基本相似，都是利用集電極電流ＩＣ升高時Ｕge或Ｕce也會升高這一現象。當Ｕge或Ｕce超過Ｕge（sat）或Ｕce（sat）時，就自動關斷ＩＧＢＴ的驅動電路。由于Ｕge在發生故障時基本不變，而Ｕce的變化較大并且當退飽和發生時Ｕge變化也小難以掌握因而在實踐中一般采用Ｕce監測技術來對ＩＧＢＴ進行保護。本文研究的ＩＧＢＴ保護電路，是通過對ＩＧＢＴ導通時的管壓降Ｕce進行監測來實現對ＩＧＢＴ的保護。 采用本文介紹的ＩＧＢＴ短路保護電路可以實現快速保護，同時又可以節省檢測短路電流所需的霍爾電流傳感器，降低整個系統的成本。實踐證明，該電路有比較大的實用價值，尤其是在低直流母線電壓的應用場合，該電路有廣闊的應用前景。該電路已經成功地應用在某型高頻逆變器中。 １、短路保護的工作原理 圖１（ａ）所示為工作在ＰＷＭ整流狀態的Ｈ型橋式ＰＷＭ變換電路（此圖為正弦波正半波輸入下的等效電路，上半橋的兩只ＩＧＢＴ未畫出），圖１（ｂ）為下半橋兩只大功率器件的驅動信號和相關的器件波形。現以正半波工作過程為例進行分析（對于三相ＰＷＭ電路，在整流、逆變工作狀態或單相ＤＣ／ＤＣ工作狀態下，ＰＷＭ電路的分析過程及結論基本類似）。 在圖１所示的電路中，在市電電源Ｕs的正半周期，將Ｕｇ2．4所示的高頻驅動信號加在下半橋兩只ＩＧＢＴ的柵極上，得到管壓降波形ＵT2．D。其工作過程分析如下：在ｔ1～ｔ2時刻，受驅動信號的作用，Ｔ2、Ｔ4導通（實際上是Ｔ2導通，Ｄ4處于續流狀態），在Ｕs的作用下通過電感Ｌs的電流增加，在Ｔ2管上形成如圖１（ｂ）中ＵT2．D所示的按指數規律上升的管壓降波形，該管壓降是通態電流在ＩＧＢＴ導通時的體電阻上產生的壓降；在ｔ2～ｔ３時刻，Ｔ2、Ｔ4關斷，由于電感Ｌs中有儲能，因此在電感Ｌs的作用下，二極管Ｄ2、Ｄ4續流，形成圖１（ｂ）中ＵT2．D的陰影部分所示的管壓降波形，以此類推。分析表明，為了能夠檢測到ＩＧＢＴ導通時的管壓降的值，應該將在ｔ１～ｔ2時刻ＩＧＢＴ導通時的管壓降保留，而將在ｔ2～ｔ3時刻檢測到的ＩＧＢＴ的管壓降的值剔除，即將圖１（ｂ）中ＵT2．D的陰影部分所示的管壓降波形剔除。由于ＩＧＢＴ的開關頻率比較高，而且存在較大的開關噪聲，因此在設計采樣電路時應給予足夠的考慮。 根據以上的分析可知，在正常情況下，ＩＧＢＴ導通時的管壓降Ｕce（sat）的值都比較低，通常都小于器件手冊給出的數據Ｕce（sat）的額定值。但是，如果Ｈ型橋式變換電路發生故障（如同一側橋臂上的上下兩只ＩＧＢＴ同時導通的 "直通"現象），則這時在下管ＩＧＢＴ的Ｃ～Ｅ極兩端將會產生比正常值大很多的管電壓。若能將此故障時的管壓降值快速地檢測出來，就可以作為對ＩＧＢＴ進行保護的依據，從而對ＩＧＢＴ實施有效的保護。 2、短路保護電路的設計 由對圖１所示電路的分析，可以得到ＩＧＢＴ短路保護電路的原理電路圖，如圖２所示。在圖２所示電路中ＩＣ４及其外圍器件構成選通邏輯電路，由ＩＣ５及其外圍器件構成濾波及放大電路，ＩＣ２及其外圍器件構成門限比較電路，ＩＣ１及其外圍器件構成保持電路。正常情況下，Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３的陰極所連接的ＩＣ２Ｄ、ＩＣ２Ｃ及ＣＤ４０１１的輸出均為高電平，ＩＣ１的輸出狀態不會改變。假設由于某種原因，在給Ｔ２發驅動信號的時候，Ｈ型橋式ＰＷＭ變換電路的左半橋下管Ｔ２的管壓降異常升高（設電平值為"高"），即Ｔ２－ｄ端電壓異常升高，則該高電平ＵT2-d通過Ｒ２加在Ｄ８的陰極；同時，發給Ｔ２的高電平驅動信號也加在二極管Ｄ５的陰極。對ＩＣ２Ｃ來說，其反相輸入端為高電平，若該電平值大于同相輸入端的門檻電平值的話，則ＩＣ２Ｃ輸出為"低"。該"低"電平通過Ｄ２加在Ｒ－Ｓ觸發器ＩＣ１的Ｒ輸入端，使其輸出端Ｑ的輸出電平翻轉，向控制系統發出ＩＧＢＴ故障報警信號。如果是由于右半橋下管Ｔ４的管壓降異常升高而引起ＩＣ２Ｄ輸出為"低"，則該"低"電平通過Ｄ１加在Ｒ－Ｓ觸發器ＩＣ１的Ｒ輸入端，使其輸出端Ｑ的輸出電平翻轉，向控制系統發出ＩＧＢＴ故障報警信號。由ＩＣ５Ａ和ＩＣ５Ｃ及其外圍器件構成的濾波及放大電路將選通電路送來的描述ＩＧＢＴ管壓降的電壓信號進行預處理后，送給由ＩＣ５Ｂ構成的加法器進行運算處理。若加法器的輸出電平大于由Ｒ２２和Ｒ３２確定的門檻電平，則會使Ｒ－Ｓ觸發器ＩＣ１的Ｒ端的第三個輸入端為"低"，也向控制系統發出ＩＧＢＴ故障報警信號。改變由Ｒ２２和Ｒ３２確定的門檻電平，就可以靈活地改變這第三路報警信號所代表的物理意義，從而靈活地設計保護電路。圖２中的端子Ｔ４－ｄ、Ｔ２－ｄ，分別接在Ｔ4、Ｔ2的集電極上，Ｔ４－Ｇ、Ｔ２－Ｇ分別接ＩＧＢＴ器件Ｔ4、Ｔ2的驅動信號。在電路設計時應該特別注意的是，Ｄ８、Ｄ５、Ｄ９、Ｄ４必須采用快速恢復二極管。 3、仿真及實驗結果 當圖１所示的ＰＷＭ變換器工作在單相高頻整流模式下，應用ＰＳＰＩＣＥ仿真軟件對圖２所示的電路進行仿真研究，可以得到如圖３所示的結果。圖３所示的仿真波形相當于在圖２電路中ＩＣ５Ｂ的第７腳觀察到的信號波形。仿真結果表明，檢測電路可以快速、有效地將ＰＷＭ變換器的下管導通時的管壓降檢測出來。圖４所示波形是實際電路工作時檢測到的相關波形。圖中，１#通道顯示的是單相高頻整流電感電流的給定波形，２#通道顯示的是實際檢測到的圖２電路中ＩＣ５Ｂ的第７腳的工作波形。比較圖３和圖４可以得出，該檢測電路可以快速、有效地檢測出ＩＧＢＴ導通時的管壓降，從而對ＩＧＢＴ實施有效的保護。 圖５所示為ＩＧＢＴ過流時實際檢測到的ＰＦＣ電感中流過的電流及保護電路動作的波形。 電路實際運行結果證明，本文介紹的ＩＧＢＴ短路保護電路可以有效地對ＩＧＢＴ實施保護，成本低，動作可靠。實踐證明，該電路有比較大的實用價值，尤其是在低直流母線電壓的應用場合，該電路有廣闊的應用前景。該電路已經成功地應用在某型３ＫＶＡ高頻逆變器中。