【導(dǎo)讀】本文介紹了基于IGBT功率放大器的三種保護(hù)方式:一個(gè)IGBT直流供電過(guò)流檢測(cè)電路,一個(gè)基于CPLD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖寬度檢測(cè)邏輯電路,一個(gè)針對(duì)IGBT結(jié)溫設(shè)計(jì)檢測(cè)的電路;并且對(duì)設(shè)計(jì)保護(hù)電路進(jìn)行了舉例仿真和實(shí)驗(yàn)舉例,驗(yàn)證了保護(hù)電路的功能。
基于IGBT的大功率
開(kāi)關(guān)放大電路運(yùn)行時(shí)會(huì)有功率大、電壓高的需求,因此IGBT經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊,承受過(guò)負(fù)荷,器件的運(yùn)行區(qū)超出所給定的安全工作區(qū),同時(shí),由于IGBT的耐電應(yīng)力沖擊能力差,易導(dǎo)致器件損毀。因此,設(shè)計(jì)出IGBT功率放大電路的保護(hù)電路,解決IGBT潛在的橋臂直通、過(guò)電流、過(guò)熱等故障因素,是非常有必要的。
不同形式的電路保護(hù)
針對(duì)前文提到的橋臂直通、過(guò)電流、過(guò)熱等三個(gè)問(wèn)題,本文提出不同形式的電路,滿(mǎn)足IGBT器件的保護(hù)需求。
驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)(防止橋臂直通):在基于IGBT的功率開(kāi)關(guān)放大電路中,驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須是帶死區(qū)的方波信號(hào),信號(hào)“死區(qū)”一旦消失,控制時(shí)序出現(xiàn)紊亂,從而造成同一側(cè)橋臂直通,后果是IGBT器件損毀,而且控制“死區(qū)”的響應(yīng)時(shí)間必須是微秒級(jí);雖然可以采用分立器件設(shè)計(jì)檢測(cè)電路,但調(diào)試比較繁瑣;本文選擇CPLD作為邏輯電路的載體,發(fā)揮其在邏輯電路設(shè)計(jì)中的易用性特點(diǎn),編寫(xiě)相應(yīng)的檢測(cè)電路代碼,對(duì)CPLD進(jìn)行編程,得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度檢測(cè)電路的核心處理單元,同時(shí),設(shè)計(jì)相應(yīng)的外部信號(hào)接口電路,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度的“死區(qū)”檢測(cè)。
過(guò)流保護(hù):IGBT功率開(kāi)關(guān)電路的過(guò)電流會(huì)造成IGBT非正常退出飽和區(qū),從而造成IGBT的損壞;采用霍爾傳感器,比較器、驅(qū)動(dòng)器等高速器件來(lái)設(shè)計(jì)“過(guò)流”保護(hù)電路,使過(guò)流保護(hù)電路能夠控制作為直流電源開(kāi)關(guān)的IGBT,從而使得直流電源能夠接受保護(hù)電路的分閘與合閘控制,是一種可行的方法。
過(guò)熱保護(hù):對(duì)IGBT的結(jié)溫進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)結(jié)溫超過(guò)設(shè)定值,輸出報(bào)警,切斷IGBT的直流電源及其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入,設(shè)計(jì)適用的電路,從而達(dá)到對(duì)基于IGBT的功率開(kāi)關(guān)電路的保護(hù)目的。
保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
過(guò)流檢測(cè)
過(guò)流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示,在功率放大電路的IGBT的供電主回路中,串行安裝電流互感器,電流互感器實(shí)時(shí)采樣并輸出通過(guò)IGBT的直流電流值;采樣值經(jīng)取樣電阻,將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),并送至比較器輸入端,比較器的門(mén)限電壓通過(guò)電位器RP來(lái)調(diào)整和設(shè)定(實(shí)際工程中,設(shè)定的值可以通過(guò)預(yù)先計(jì)算或經(jīng)試驗(yàn)得到);這樣,取樣電阻上的電壓和門(mén)限電壓通過(guò)比較器比較;當(dāng)檢測(cè)到直流電源“過(guò)流”時(shí),即過(guò)流信號(hào)在取樣電阻RM兩端電壓產(chǎn)生超過(guò)預(yù)先設(shè)置門(mén)限電壓上限值,電壓比較器響應(yīng)動(dòng)作,輸出高電平,此電平信號(hào)觸發(fā)可控硅Q1的導(dǎo)通,則與可控硅的陰極串聯(lián)的電阻R2節(jié)點(diǎn)處將輸出電平信號(hào),此信號(hào)處于持續(xù)鎖定狀態(tài),此電平信號(hào)(即過(guò)流輸出信號(hào)響應(yīng)動(dòng)作)輸出給IGBT的信號(hào)驅(qū)動(dòng)板,驅(qū)動(dòng)板立即閉鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出,這樣IGBT被斷開(kāi),提供給功率放大電路的直流電源被切斷,IGBT器件得到保護(hù)。
圖1 過(guò)流檢測(cè)電路原理
另外,當(dāng)過(guò)流保護(hù)電路輸出過(guò)流信號(hào)時(shí),LED導(dǎo)通發(fā)光,指示過(guò)流信號(hào)檢出;待確定IGBT功率放大電路的過(guò)流狀態(tài)消失,則可以通過(guò)外部控制將開(kāi)關(guān)S閉合,可控硅復(fù)位,將IGBT驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出鎖定電平信號(hào)撤銷(xiāo)。、
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驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)
基于IGBT功率放大電路的同一橋臂上的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)要留有“死區(qū)”時(shí)間,也就是不能同時(shí)為高電平,否則會(huì)造成開(kāi)關(guān)電路的橋臂直通而短路,驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖過(guò)寬和過(guò)窄,以及無(wú)脈沖輸出,會(huì)嚴(yán)重影響功率放大電路的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)放大電路使用固定驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí),可以運(yùn)用脈沖寬度檢測(cè)方法,選擇適當(dāng)?shù)念l率信號(hào)作為計(jì)數(shù)的時(shí)標(biāo)單位,對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平持續(xù)進(jìn)行時(shí)標(biāo)信號(hào)計(jì)數(shù),并且將計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)值轉(zhuǎn)換為時(shí)間,即得到脈沖寬度值。
電路實(shí)現(xiàn):在CPLD中設(shè)置預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)門(mén)限值,即驅(qū)動(dòng)信號(hào)高電平或者低電平持續(xù)的最大計(jì)數(shù)值;對(duì)輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平或者低電平持續(xù)計(jì)數(shù),將采樣得到的單位計(jì)數(shù)值與預(yù)置的門(mén)限計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較,如果計(jì)數(shù)值小于或者大于預(yù)先設(shè)置的值,則檢測(cè)模塊輸出閉鎖信號(hào),切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊的信號(hào)輸出,完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平脈沖寬度檢測(cè);同時(shí),模塊將驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行反相邏輯轉(zhuǎn)換,然后再檢測(cè)轉(zhuǎn)換后形成的高電平脈沖寬度,這樣,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的低電平的脈沖寬度檢測(cè)。
圖2 脈沖寬度檢測(cè)邏輯圖
驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測(cè)模塊包含三個(gè)模塊:計(jì)數(shù),鎖存和控制,如圖2所示。其中,計(jì)數(shù)模塊統(tǒng)計(jì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平的時(shí)標(biāo)頻率信號(hào)個(gè)數(shù),并輸出鎖存清零信號(hào),鎖存模塊將數(shù)據(jù)鎖存,控制模塊判斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)高電平內(nèi)的時(shí)標(biāo)頻率信號(hào)的個(gè)數(shù)是否超過(guò)預(yù)置門(mén)限值。
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過(guò)熱檢測(cè)
IGBT的損耗功率隨著開(kāi)關(guān)頻率的增高而增大,大功率運(yùn)行時(shí),損耗功率易急劇增加發(fā)熱,由于IGBT的結(jié)溫不超過(guò)125℃,基于IGBT的功率開(kāi)關(guān)電路不能長(zhǎng)期工作在結(jié)溫點(diǎn)上限,否則,IGBT將過(guò)熱損毀,因此,設(shè)計(jì)出溫度檢測(cè)電路,實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的結(jié)溫檢測(cè),從而達(dá)到保護(hù)目的。設(shè)計(jì)過(guò)熱保護(hù)電路時(shí),首先選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟戎?,作為外部控制系統(tǒng)的報(bào)警與保護(hù)動(dòng)作門(mén)限值,電路設(shè)計(jì)可以采用類(lèi)似過(guò)流檢測(cè)電路的模式,適用比較電路實(shí)現(xiàn);再者,選用表面貼裝式溫度測(cè)量模塊安裝在IGBT模塊的散熱器表面,溫度傳感器監(jiān)測(cè)輸出IGBT的工作溫度。這樣,當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)的報(bào)警溫度臨界點(diǎn),保護(hù)電路能夠及時(shí)采樣溫度信號(hào),并使得過(guò)熱保護(hù)電路響應(yīng)輸出。
另外,對(duì)于采用水循環(huán)散熱的IGBT功率放大電路,設(shè)置冷卻水流量監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)檢測(cè)功放單元工作時(shí)冷卻水的流量,監(jiān)測(cè)流量是否超過(guò)IGBT工作時(shí)適宜的溫度值需要的流量限定值;當(dāng)冷卻水的流量低于設(shè)定下限,過(guò)熱檢測(cè)電路輸出過(guò)熱保護(hù)信號(hào)。
以上兩種過(guò)熱檢測(cè)電路在實(shí)際運(yùn)行時(shí),過(guò)熱報(bào)警觸發(fā)輸出的信號(hào)與直流電源開(kāi)關(guān)的IGBT的驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生邏輯關(guān)聯(lián),閉鎖IGBT驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出,進(jìn)而切斷功率放大器的IGBT直流電源的供電,從而保護(hù)功率開(kāi)關(guān)電路的IGBT器件。
仿真與實(shí)驗(yàn)
針對(duì)前文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖寬度檢測(cè)電路,通過(guò)仿真進(jìn)行功能驗(yàn)證,仿真結(jié)果如圖3所示,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(signal)脈沖過(guò)窄時(shí),檢測(cè)模塊輸出高電平(signal_error)信號(hào),意味著驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平信號(hào)脈寬小于預(yù)先設(shè)定的脈寬門(mén)限值上限,輸出高電平報(bào)警。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的保護(hù)電路的有效性,在IGBT功率放大器上進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。圖4與圖5舉例過(guò)流保護(hù)動(dòng)作后的實(shí)驗(yàn)波形,圖中曲線(xiàn)分別為功率放大器輸出電壓波形、輸出電流波形。觀察分析曲線(xiàn)的結(jié)果,得出結(jié)論:當(dāng)IGBT在不同工作參數(shù)運(yùn)行期間,一旦發(fā)生過(guò)流信號(hào)被保護(hù)電路檢測(cè),IGBT驅(qū)動(dòng)板封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出,IGBT被關(guān)閉,通過(guò)IGBT功率放大電路的電壓和電流在極短時(shí)間內(nèi)降為零值,IGBT得到了保護(hù)。