基于IGBT矩阵变换器设计的过流保护电路

在逆变级中，集中式过流保护电路的任务是检测输入直流母线上的电流。而不必对每个IGBT分别进行过流检测保护。当该电流值超过设定的阈值时，系统将封锁整个逆变级IGBT的驱动信号。将电流检测点设置在直流输入侧，检测元件采用日本HINODE公司的直测式霍尔效应电流传感器HAP8—200／4，可检测直流侧电压的瞬时值。HAP8—200／4需要±15V的供电电源，额定电流为+_200A，饱和电流在450A以上，额定输出电压为±4V，di／dt响应时间在10μs以下。在正常情况下，集中式过电流保护电路的输出(0C)为高电平。而一旦直流母线的电流超过设定的阈值，比较器的输出状态将由高电平变为低电平，然后经过R2、C2的延迟，0C将由高电平变为低电平。这个低电平信号将使封锁电路有效，以封锁整流级桥臂的所有IGBT驱动信号。由R2、C2组成的延迟电路可防止封锁电路误操作，该延迟电路也采用了抗干扰措施。

在整流级，集中式电流保护电路的任务是检测输入电流，而不必对每个桥臂上的IGBT进行分别检测。整流级检测点可设置在三项输入端。由于矩阵变换器的输入信号为三相对称正弦信号。这与逆变级检测点的直流母线信号有所不同，故需要采用另一种保护电路。检测元件可采用英国ISOTEK公司的精确电流感应电阻SMV。该感应电阻SMV的阻值可选择1mΩ，温漂小于30ppm／℃，功率小于3W，测量电压范围为交流1000V，工作温度范围为-55～+140℃。正弦信号经过精确电流感应电阻检测后，再经过整流桥变化成直流信号，便可进行光耦放大并与设定的阈值电压进行比较。在正常情况下，集中式过流保护电路的输出信号OC为高电平，而一旦整流级发生短路，例如当三相输入信号中任意两相发生短路，则输入端的电流值将会超过设定的阈值，此时比较器的输出状态将由高电平变为低电平，再经过R2、C2的延迟，OC将由高电平变为低电平。这个低电平信号将使封锁电路有效，以封锁整流级桥臂的所有IGBT驱动信号使其关断。R2、C2组成的延迟电路可防止封锁电路误操作。

矩阵变换器整流级和逆变级的集中式过流保护电路的输出信号OC在正常情况下为高电平，当发生短路时，0C由高电平变为低电平并传输给控制器，从而关断整流级或是逆变级的IGBT驱动信号。之后，在等一段时间后，系统复位并重新给IGBT驱动信号。

3实验结果分析

为了保证电流的上升速率，直流母线均采用铜排进行连接。实验电路连接完成后，首先在整流级进行过流实验，输入a、b、c为三相对称正弦信号，当其中两相短路时，S1和S2同时关断，并给Sl和S2一个相同的触发脉冲信号，该脉冲可使其同时导通，并导致ab两相短路，从而使整流级的集中式过流保护电路的检测电流超过参考电流而发出信号，最终关断整流级IGBT的驱动信号。之后，经过一段时间后，系统复位，整流级继续运行。

逆变级过流实验的输入为直流母线上的信号。当一个桥臂出现直通(例如K1和K2关断)，逆变级集中式过流保护电路就会检测到直流母线信号超过参考值，从而被激活，关断逆变级IGBT的驱动信号。经过一段时间后，系统复位，逆变级继续运行。复位时间的长短与控制器收到0C信号后设定复位时间的大小有关。由于给定的触发脉冲信号只有十几微秒，故能防止IGBT在短路电流情况下，集中式过流保护电路发生故障而烧毁。

由实验曲线可以看出，在发生短路时，短路电流上升，检测过流保护电路被激活。但在关断IGBT之前，短路电流仍会继续上升，这段时间与检测电路的器件响应时间和集中式过流保护电路中的C2、R2的设定有关。为了防止误操作和响应快速，C2、R2的取值不能太大，也不能太小，通常可取C2=100pF，R2=10kΩ。

4结束语

本文根据矩阵变换器的整流级和逆变级分别设计了基于矩阵变换器IGBT的集中式过流保护电路，并将其检测点分别设置在整流级的三相输入端和逆变级的直流输入母线上。该电路能检测集中式过载电流和短路电流，能保护IGBT的安全，并可节约电路的设计成本与驱动电路板的面积。通过实验比较，充分证明了该集中式过流保护电路的有效性和经济性。