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OCP或SCP -这是问题!

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  通常,在电机驱动应用中需要对功率晶体管、电机或系统的任何部分进行多种不同类型的保护。逆变器的电流保护是其中的关键技术之一。它不仅防止功率晶体管的任何潜在损坏,而且防止在发生故障或控制变得不稳定的情况下电机的退磁。过电流保护(OCP)和短路保护(SCP)通常是可互换使用的,但在本文中将有不同的讨论。


       OCP与SCP的差异

  简而言之,短路保护是过流保护的一部分。图1显示了不同电流保护之间的关系。接地故障保护、臂短路保护和相间短路保护均属于短路保护。

  过电流保护与短路保护图像

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  图1:过电流保护与短路保护。

  图2显示了不同的短路模式和它们的电流路径。如图2(a)所示,接地故障发生在电机绕组短路到电机框架时,该电机框架通常连接到地上,或者有时当电机电缆短路到地上时。图2(b)示出臂短路,这是指当高侧IGBT和低侧IGBT同时意外地接通并且因此非常高的电流流动的情况。图2(c)描绘了从不同相位的电机绕组短路时发生的相间短路。在所有三种情况下,电流的大小受其电流路径的阻抗的限制,包括IGBT本身。

  短路电流路径图像

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  图2:短路电流路径。


  如何设置OCP级别?

  如何设置保护电流水平是一个关键问题,无论过流情况的类型如何。要回答这个问题,首先要确定系统中最弱的部分。在大多数情况下,IGBT比续流二极管更快地受到损坏,因为当从逆变器向电机传递功率时,更容易发生过电流情况。那么,OCP跳闸电平是否应该设置在IGBT能处理的最大电流上?这取决于系统采用的控制方法。在伏特/赫兹控制的情况下,广泛应用于感应电动机的应用中,不能精确地预测起动时的电流水平。另一方面,如果使用诸如场定向控制的电流控制,则电机在特定应用中的最大电流是众所周知的。

       向该级别添加一些余量将是OCP级别的一个很好的参考点,如图3所示。例如,具有Foc的冰箱的永磁电机的额定电流为1 A rms,但是在初始启动冷却期间,它可以处理120%过载10分钟。在这种情况下,最大峰值电流可以是1 Arms×120%×Sqrt(2)=1.7峰值。考虑到电流控制的过冲具有一定余量,可以选择+/-2 A作为控制中的电流反馈范围,并且可以将2.5 A设置为OCP跳闸电平。即使在逆变器电路中使用饱和电流为30 A的5 IGBT,电流跳闸电平不需要是10 A或更高。高电流跳闸电平可能导致电机的退磁。如果有固定时间的过载能力,则可以实现I保护,以补充OCP。

  OCP水平与其他电流水平的关系

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  图3:与其他当前水平相关的OCP水平。


  使用哪种保护方法?

  另一方面,SCP主要关注IGBT故障。IGBTS在仙童的SPM®智能功率模块具有优越的短路能力,但仍然可能受到损坏,如果没有关闭安全几毫秒内。因此,SCP应该由硬件来处理,固定时间为几毫秒的延迟,而不是软件。短路时保护IGBT最常用的方法是通过图4(a)所示的分流电阻器检测负直流母线上的电流,并将电压降馈送到栅极驱动器,使得栅极驱动器可以同时软关断IGBT。在短路条件下关闭IGBT可能会产生过大的电压尖峰和闩锁故障。软关闭是克服这些问题的一种非常有效的方法。对于额定功率超过5马力的逆变器,并联电阻器的选择实际上是有限的,而FelHead的SPM 2系列产品采用的是感测IGBT,其具有感测发射器引脚,其承载了非常小的部分发射电流。如图4(b)所示,三个感测器被捆绑在一起,通道电流流经外部分流电阻器。电压降可以以类似的方式馈送到栅极驱动IC。

  使用分流电阻器的短路保护图像(点击全尺寸)

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  图4:使用并联电阻器的短路保护。

  这些方法的一个缺点是不能检测到如图2(a)所示的接地故障电流。如果求和不是零,则软件可以计算三相电流并识别接地故障。然而,响应可能不够快,以防止IGBT损坏。磁芯、正直流母线上的分流电阻和DATAT保护是用于接地保护的其他选择。Fairchild具有光闸驱动器与DEAT保护功能。FoD8316、FoD8318和FoD8332是具有这些特征的设备的例子。


  总结

  基于OCP和SCP之间的差异,以及本文所描述的各种保护方案,应明智地选择符合应用要求的适当保护方案。