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 UT2D。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， T4 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 UT2D 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。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 UT2-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 D5 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。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 仿真軟件對電路進行仿真研究。仿真波形相當于在電路中 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 3 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電路中 IC5B 的第 7 腳的工作波形。比較圖 2 和圖 3 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 4 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。

責任編輯：gt