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过流保护机制下IGBT桥臂小尺度短路失效对比分析

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中国电机工程学报 2019年第24期39卷 7325-7335页

作者：窦智峰王永华武洁郭磊磊李琰琰吴振军郑州轻工业大学电气信息工程学院

IGBT小尺度过流短路失效模式、失效机理及失效过程中电参数演变规律等,是提高或改进IGBT应用设计和器件保护措施的重要依据和参考。研究IGBT过流短路失效及其与过流保护装置之间的相互影响和作用机制,对提高IGBT可靠性应用具有重要意义... 详细信息

IGBT小尺度过流短路失效模式、失效机理及失效过程中电参数演变规律等,是提高或改进IGBT应用设计和器件保护措施的重要依据和参考。研究IGBT过流短路失效及其与过流保护装置之间的相互影响和作用机制,对提高IGBT可靠性应用具有重要意义。该文针对造成IGBT破坏性最严重的过流短路失效进行研究,通过对2种不同气密封装结构的NPT型IGBT桥臂进行动态过流短路破坏性实验,揭示桥臂短路电参数的演变规律;在有/无过流保护机制2种情况下,对过流短路的失效模式和失效机理进行微观剖析和阐述。通过各电参数的对比分析,阐明不同能量等级条件下小尺度瞬态短路失效模式与各电气参数具体量化关系,进一步证明IGBT模块在可靠性应用上仍有待进一步的研究和探索。文中所采用的实验方法和所测数据为IGBT可靠性应用提供实验参考和数据积累,同时也为电力电子过流短路故障隔离和器件级容错提供新思路。

关键词：现场短路失效机理 IGBT模块过流保护器件级容错

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基于双向磁反馈的过流保护电路设计

电源学报 2023年第3期21卷 209-215页

作者：贺啟峰潘卫东杜飞朋徐成宝中国电子科技集团公司第四十三研究所微系统安徽省重点实验室合肥230088 中国电子科技集团公司第四十三研究所合肥230088

为解决航天器用DC/DC变换器过流保护问题,以双向磁反馈结构作为DC/DC变换器的反馈控制主架构,对常用的“打嗝”型过流保护电路和恒流型过流保护电路进行设计对比。为集合两者优点,在恒流型过流保护电路基础上提出了一种减流型过流保护... 详细信息

为解决航天器用DC/DC变换器过流保护问题,以双向磁反馈结构作为DC/DC变换器的反馈控制主架构,对常用的“打嗝”型过流保护电路和恒流型过流保护电路进行设计对比。为集合两者优点,在恒流型过流保护电路基础上提出了一种减流型过流保护电路。该电路在实现精确过流保护和具备带大容性负载能力的同时,有效降低了短路功耗,具有结构简单、易于实现等特点,适用于空间环境。详细分析了该电路的工作原理并进行实际应用,实测结果验证了该电路方案的有效性。

关键词：磁反馈过流保护减流型 DC/DC变换器

SiC MOSFET短路特性及过流保护研究

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中国电机工程学报 2020年第18期40卷 5751-5759页

作者：王占扩童朝南黄伟超北京科技大学自动化学院北京市海淀区100083 北京市电力节能关键技术协同创新中心(北方工业大学) 北京市石景山区100144

为了提高电力电子装置中SiC MOSFET可靠性,对SiC MOSFET短路特性和过流保护进行研究。首先在不同的母线电压和环境温度下,对处于短路状态的SiC MOSFET的电流IDS和导通压降VDS(ON)进行测量和分析,在此基础上设计基于VDS(ON)检测的过流保... 详细信息

为了提高电力电子装置中SiC MOSFET可靠性,对SiC MOSFET短路特性和过流保护进行研究。首先在不同的母线电压和环境温度下,对处于短路状态的SiC MOSFET的电流IDS和导通压降VDS(ON)进行测量和分析,在此基础上设计基于VDS(ON)检测的过流保护电路,比较两种消隐电路对保护的影响,实验证明,在消隐电路工作时,较大的充电电流可有效缩短保护时间,但电路功率消耗较大。针对半桥直通短路,根据SiC MOSFET的工作特性,提出一种基于门极电压VGS检测的直通短路保护方法,将半桥两只SiC MOSFET的VGS电压于门极阈值电压比较,如果同时超过阈值电压,可判断发生直通短路,实验表明,提出的保护方法具有保护时间快,短路电流小的特点,与VDS(ON)检测的过流保护电路配合,可以有效地保护SiC MOSFET。

关键词： SiC MOSFET 特性短路过流保护 VDS(ON)检测 VGS检测

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一种改进型配网自适应过流保护方法

电力系统保护与控制 2021年第7期49卷 110-119页

作者：高生凯曹炜张旭航赵宏成卫皇莅上海电力大学电气工程学院上海200090 国网上海市电力公司经济技术研究院上海200120

在DG构成的配电网系统中,通常采用电流保护作为配网的主保护。其中电流保护的整定值为定值,随着DG的接入,配电网结构发生变化,DG并入位置不同会带来故障点无法准确判定的问题。针对此问题,提出了一种基于通信的故障定位方案,具体是引入... 详细信息

在DG构成的配电网系统中,通常采用电流保护作为配网的主保护。其中电流保护的整定值为定值,随着DG的接入,配电网结构发生变化,DG并入位置不同会带来故障点无法准确判定的问题。针对此问题,提出了一种基于通信的故障定位方案,具体是引入方向元件并建立信息传递通道检测电流流向来准确判定故障点位置。由于DG接入容量的不同和故障前后DG所发出电流数值变化,造成配网原有电流保护失配。针对此问题,提出一种改进型自适应过流保护算法,具体是通过检测故障电流正、负序含量,确定故障类型,采用不同的整定值,使得电流保护的整定值时刻变化,增强保护动作可靠性。将上述策略通过PCSAD/EMTDC仿真和动模实验室搭建实验模型来验证所提方案可以有效提高DG并网带来的保护动作准确性能。

关键词： DG 配电网故障定位过流保护自适应

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一种高侧电流检测电路的仿真与验证

载人航天 2022年第2期28卷 230-236页

作者：李鹏何双亮周革强仇庆东陈华中国航天员科研训练中心北京100094 中航工业沈阳兴华航空电器有限责任公司沈阳110144

为提高小功率航天设备的可靠性,设计了一种基于高侧电流检测芯片的可恢复式的过流检测电路。采用硬件逻辑电路实现了反时限、定时限和瞬时速断保护曲线,对该电路进行仿真分析和验证,并对多级保护策略进行了讨论。结果表明:该电路结构简... 详细信息

为提高小功率航天设备的可靠性,设计了一种基于高侧电流检测芯片的可恢复式的过流检测电路。采用硬件逻辑电路实现了反时限、定时限和瞬时速断保护曲线,对该电路进行仿真分析和验证,并对多级保护策略进行了讨论。结果表明:该电路结构简单、可靠性高,可灵活调整保护时间,其功能和性能均满足指标要求;采用多级分段保护的方式可提高电子系统的可靠性。

关键词：过流保护高侧电流检测反时限定时限仿真分析

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基于电流预测的矩阵变换器过流保护策略研究

电力系统保护与控制 2019年第6期47卷 166-169,170-172页

作者：马星河王昆朝许丹魏磊河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454000 许继电气股份有限公司河南许昌461000

针对矩阵变换器在实际运行中出现负载电机过载导致过电流的问题,提出了一种基于电流预测的过流保护策略。该策略利用变换器系统的离散时间模型来预测由矩阵变换器生成的所有27个可能的输出电压矢量的输出电流的未来值。然后通过将预测... 详细信息

针对矩阵变换器在实际运行中出现负载电机过载导致过电流的问题,提出了一种基于电流预测的过流保护策略。该策略利用变换器系统的离散时间模型来预测由矩阵变换器生成的所有27个可能的输出电压矢量的输出电流的未来值。然后通过将预测的输出电流未来值与保护阈值电流相比较,当预测电流值大于保护阈值电流时,系统会立即向控制器发送过电流报警信号来控制变换器开关器件的关断,进而保护功率开关器件与负载电机免受故障的损害。最后通过Matlab/Simulink仿真与实验,证实了这种过流保护策略的有效性。

关键词：矩阵变换器电流预测过流保护负载电机开关器件

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一种基于开关电源的过流保护电路

合肥工业大学学报（自然科学版） 2023年第7期46卷 919-922页

作者：李佳成赵宏亮卢雪梅辽宁大学物理学院辽宁沈阳110036

文章设计一种基于谷值限流方式的过流保护电路,利用整流开关管自身导通阻抗进行采样,通过正负电压叠加的方式消除工艺偏差对限流阈值的影响。采用0.18μm的BCD(bipolar-CMOS-DMOS)工艺进行设计,电路结构简单、精确度高、响应速度快。在C... 详细信息

文章设计一种基于谷值限流方式的过流保护电路,利用整流开关管自身导通阻抗进行采样,通过正负电压叠加的方式消除工艺偏差对限流阈值的影响。采用0.18μm的BCD(bipolar-CMOS-DMOS)工艺进行设计,电路结构简单、精确度高、响应速度快。在Cadence软件的Spectre环境下进行仿真验证,该电路对电源电压和温度变化引起的过流阈值偏移有很强的抑制能力,在3~6 V的电源电压和-55~125℃的温度范围内,过流阈值的最大误差仅为3.5%,传输延时仅为28 ns。

关键词：过流保护谷值限流电流采样高精度开关电源

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高压N型双相直流电机驱动芯片的研究与设计

高压N型双相直流电机驱动芯片的研究与设计

作者：孙宏建河南大学

学位级别：硕士

直流电机在我们的生活中无处不在,从吹风机、风扇、电动玩具到汽车、飞机到处都可以看到电机的身影。直流电机的运转离不开电机驱动芯片的作用。电机驱动芯片是集成了CMOS逻辑控制电路、模拟电路、保护电路和DMOS功率器件的芯片。电机... 详细信息

直流电机在我们的生活中无处不在,从吹风机、风扇、电动玩具到汽车、飞机到处都可以看到电机的身影。直流电机的运转离不开电机驱动芯片的作用。电机驱动芯片是集成了CMOS逻辑控制电路、模拟电路、保护电路和DMOS功率器件的芯片。电机驱动技术作为驱动电机的关键问题所在,目前被德州仪器、意法半导体等国外企业所垄断,同时高昂的价格使得下游制造企业面临巨大的生产成本。作为卡脖子的领域之一,国内像中科微等半导体企业也从事相关的研究,但芯片产品存在功耗大、发热严重等缺点。因此有必要研发出一款低功耗、高集成度、驱动能力强的电机驱动芯片来提升核心竞争力,实现国产芯片从替代到变强的发展之路。本文研究并设计了一款高压N型的双相直流电机驱动芯片,首先介绍了H桥电路的工作原理及H桥电路的几种续流方式,包括了快衰减模式、慢衰减模式和混合衰减模式,给出了芯片整体架构和其中关键指标参数,并且以驱动H桥电路为依据给出了电荷泵电路的分析与设计。对芯片中其他子模块的电路原理进行了较为详细的介绍,包括带隙基准电路,过温电路、欠压电路、过流电路等保护电路,振荡器电路。基于华虹宏力0.18μm BCD工艺,采用Cadence公司的Spectre仿真工具对各个子模块以及整体电路进行了仿真验证。通过仿真验证子模块和整体电路在不同的工艺角下是否能正常工作,仿真结果是否符合电路设计的参数指标要求。仿真结果表明:芯片的工作电压为8～40V,工作的温度范围为-40～150℃,功率管的导通电阻小于0.4Ω。通过外部输入基准电压V和H桥低侧的外接电阻产生的电压相比较能够将电流限制在某一已知水平,这可显著降低系统的功耗,在睡眠模式下,静态电流小于6μA,在正常工作状态下,电路静态电流为1.5m A。本文所研究的电荷泵电路能够较为准确的输出需要的驱动电压及器件的工艺特性,使得H桥功率管的导通损耗也大为降低。所研究的带隙基准电路通过电流源和稳压二极管组成的电路及差分电路共同作用的结构来提高整体电路的稳定性也减小了芯片面积;同时芯片也将模拟电路、逻辑电路以及H桥的功率MOS管器件等模块均封装在一起,极大地提升了整个系统的集成度和可靠性。最后基于版图的可靠性设计及匹配原则给出了部分子模块和整体电路的版图设计,整体版图面积为1800μm×1700μm。

关键词：双相直流电机 H桥电荷泵衰减模式过流保护

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单片IGBT驱动器的研究与设计

单片IGBT驱动器的研究与设计

作者：牟钰亭天津理工大学

学位级别：硕士

在新能源产业结构快速优化的背景下,电能在日常生产生活中应用的地位也越来越高。因此,不断发展电力电子技术,加快研究大功率驱动电路十分重要。本文研究并设计了单片IGBT驱动芯片。芯片设计是基于华虹宏力(HHG)0.35μm BCD工艺。通过Ca... 详细信息

在新能源产业结构快速优化的背景下,电能在日常生产生活中应用的地位也越来越高。因此,不断发展电力电子技术,加快研究大功率驱动电路十分重要。本文研究并设计了单片IGBT驱动芯片。芯片设计是基于华虹宏力(HHG)0.35μm BCD工艺。通过Cadence的EDA工具进行电路的设计、仿真以及版图的绘制。本文设计的驱动芯片包括带隙基准、高压LDO、逻辑控制、输出驱动和多种保护电路等。推挽输出级拥有较强的驱动能力,多种保护功能包括欠压锁定、过流和过温保护增加了驱动芯片的可靠性和使用寿命。在任何一致保护触发时,芯片的故障输出端立即下拉提示。其中过温检测方式通过两种不同的设计实现,这样的设计给过温检测提供了选择,同时有效地提高过温的准确性,保证功能的有效性。考虑到芯片实际应用的灵活性,所以本文设计的驱动芯片既可以驱动单片IGBT,也可以驱动两个独立的IGBT。同时,本文设计的驱动芯片兼容驱动高压MOS,或者P+N型的半桥。本文设计的驱动芯片的推荐工作电压为15V,最大电压可为20V。芯片从电源开始上电到驱动输出正常工作的时间为0.8ms。在允许的工作电压下,芯片内部可以输出稳定的5V低压电源电压。芯片驱动输出的拉电流为2A,灌电流为4A。芯片在12.5V欠压保护,在160℃开启过温保护。驱动输出上升时间为48ns,下降时间为32ns,死区时间为300ns。该芯片可以应用于大功率直流或交流电机驱动控制系统中。

关键词： IGBT 栅级驱动电路欠压保护过温保护过流保护