【導(dǎo)讀】本文介紹了OCP（過流保護(hù)）和SCP（短路保護(hù)）的差別以及各種保護(hù)方案。為了滿足應(yīng)用要求，工程師們在設(shè)計的過程中應(yīng)精心選擇合適的保護(hù)方法。
通常，在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中需要很多不同類型的保護(hù)，包括保護(hù)功率晶體管、電機(jī)或系統(tǒng)的任何部件。變頻器的電流保護(hù)是其中至關(guān)重要的一項。它不僅能預(yù)防對功率晶體管的任何潛在損壞，而且在發(fā)生故障或控制變得不穩(wěn)定時能預(yù)防電機(jī)消磁。過流保護(hù)(OCP)和短路保護(hù)(SCP)常常互換使用，但兩者還是存在差別，我們將在本文中探討。
OCP和SCP的差別
簡單來說，短路保護(hù)是過電流保護(hù)的一部分。圖1表示不同電流保護(hù)之間的關(guān)系。 接地故障保護(hù)、臂短保護(hù)和相間短保護(hù)都屬于短路保護(hù)。
圖1：過流保護(hù)與短路保護(hù)比較
圖2表示不同的短路模式和電流路徑。如圖2(a)所示，當(dāng)電機(jī)繞組短接至電機(jī)殼體（通常接地）時，或者當(dāng)電機(jī)電纜短接至接地時，則發(fā)生接地故障。圖2(b)表示橋臂短路，指高側(cè)IGBT和低側(cè)IGBT同時意外導(dǎo)通并產(chǎn)生極高電流的情況。圖2(c)表示相間短路，當(dāng)不同相間的電機(jī)繞組短路時發(fā)生。所有三個示例中，電流幅度因電流路徑（包括IGBT本身的）阻抗而受限。
圖2：短路電流路徑
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如何設(shè)置OCP點？
無論面對什么類型的過流情況，如何設(shè)置保護(hù)電流大小都很關(guān)鍵。要解決這一問題，首先應(yīng)識別系統(tǒng)中最脆弱的部件。在大多數(shù)情況下，IGBT將早于續(xù)流二極管受損，因為，當(dāng)變頻器將功率傳遞至電機(jī)時，更容易發(fā)生過流情況。那么，是否應(yīng)該將OCP跳變值設(shè)為IGBT能夠處理的最大電流？ 這取決于系統(tǒng)采用的控制方法。在伏特/赫茲控制中（廣泛用于感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用），啟動時的電流值無法精確預(yù)測。另一方面，如果采用磁場定向控制這樣的電流控制方法，則特定應(yīng)用中電機(jī)的最大電流值是眾所周知的。如圖3所示，為此值添加一些裕量將成為OCP觸發(fā)大小的良好參考點。例如，帶FOC的電冰箱使用的永磁電機(jī)，其額定電流為1A rms，但是，在初始啟動冷卻期間，可承受120%的過載達(dá)10分鐘。此情況下，最大峰值電流為1 A rms * 120% * Sqrt(2) = 1.7 A峰值。考慮電流控制過沖裕量，可選擇+/- 2 A作為控制中的電流反饋范圍。接著可將2.5 A設(shè)為OCP跳變點。即使在變頻器電路中采用飽和電流為30 A的5 A IGBT，電流跳變點也不需要設(shè)為10 A或更高。高電流跳變點可能造成電機(jī)消磁。如果有固定時間的過載能力，可執(zhí)行I2T保護(hù)來補(bǔ)充OCP。
圖3：OCP點與其它電流大小的關(guān)系
另一方面，SCP側(cè)重于IGBT故障。Fairchild SPM智能功率模塊中的IGBT具備卓越的短路性能，但如果不能在幾微秒內(nèi)安全關(guān)斷，仍可能受損。因此，應(yīng)配置延遲時間固定在幾微妙的硬件，而非通過軟件實現(xiàn)。保護(hù)IGBT免受短路損壞的最常見方法是通過電流檢測電阻感測負(fù)直流總線電軌上的電流，如圖4(a)所示，并將壓降前饋至柵極驅(qū)動器，以便后者同時軟關(guān)斷IGBT。在短路條件下關(guān)斷IGBT可能造成過大電壓尖峰和閉鎖故障。而軟關(guān)斷是克服這些問題最為有效的方法。對于額定功率高于5 Hp的變頻器，電流檢測電阻的選擇相當(dāng)有限，而Fairchild的SPM 2系列產(chǎn)品采用感測IGBT，其中配備感測發(fā)射極引腳，載流僅為實際發(fā)射極電流的一小部分。三個感測發(fā)射極相連，使電流通過外部電流檢測電阻，如圖4(b)所示。壓降以相似的方法前饋至柵極驅(qū)動IC。
圖4：使用電流檢測電阻進(jìn)行短路保護(hù)
這些方法的缺點之一是無法檢測接地故障電流，如圖2(a)所示。只要總和不為零，軟件可計算三相電流并識別接地故障。但響應(yīng)速度可能不足以預(yù)防IGBT損壞。一個磁芯、一只正直流母線電軌上的電流檢測電阻和去飽和保護(hù)也是可選接地保護(hù)方式。Fairchild可提供帶不飽和保護(hù)功能的光電柵極驅(qū)動器。配備這些功能的器件有FOD8316、FOD8318和FOD8332等等。
總結(jié)
本文介紹了OCP和SCP的差別以及各種保護(hù)方案。為了滿足應(yīng)用要求，應(yīng)精心選擇合適的保護(hù)方法。
