IGBT功率放大電路保護方法的應用

　　摘要：本文針對IGBT功率放大電路的保護問(wèn)題，探討了過(guò)流檢測電路、驅動(dòng)信號脈寬檢測及過(guò)熱保護的實(shí)現方法，通過(guò)仿真與試驗，驗證保護電路的效果。

　　引言

　　基于IGBT的大功率開(kāi)關(guān)放大電路運行時(shí)，功率大、電壓高，經(jīng)常受到容性或感性負載的沖擊，承受過(guò)負荷，器件的運行區超出所給定的安全工作區，同時(shí)，由于IGBT的耐電應力沖擊能力差，易導致器件損毀。

　　因此，設計出IGBT功率放大電路的保護電路，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。

　　概述

　　針對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器件的保護需求。

　　驅動(dòng)信號檢測(防止橋臂直通)：在基于IGBT的功率開(kāi)關(guān)放大電路中，驅動(dòng)信號必須是帶死區的方波信號，信號“死區^[1]”一旦消失，控制時(shí)序出現紊亂，從而造成同一側橋臂直通，后果是IGBT器件損毀，而且控制“死區”的響應時(shí)間必須是微秒級;雖然可以采用分立器件設計檢測電路，但調試比較繁瑣;本文選擇CPLD作為邏輯電路的載體，發(fā)揮其在邏輯電路設計中的易用性特點(diǎn)，編寫(xiě)相應的檢測電路代碼，對CPLD進(jìn)行編程，得到驅動(dòng)信號的脈沖寬度檢測電路的核心處理單元，同時(shí)，設計相應的外部信號接口電路，從而實(shí)現對驅動(dòng)信號的脈沖寬度的“死區”檢測;

　　過(guò)流保護：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，從而造成IGBT的損壞;采用霍爾傳感器，比較器、驅動(dòng)器等高速器件來(lái)設計“過(guò)流”保護電路，使過(guò)流保護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電路的分閘與合閘控制，是一種可行的方法。

　　過(guò)熱保護：對IGBT的結溫進(jìn)行監測，當結溫超過(guò)設定值，輸出報警，切斷IGBT的直流電源及其驅動(dòng)信號的輸入，設計適用的電路，從而達到對基于IGBT的功率開(kāi)關(guān)電路的保護目的。

　　保護電路的設計

　　過(guò)流檢測

　　過(guò)流檢測電路設計原理圖如圖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，將電流信號轉換為電壓信號，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)調整和設定(實(shí)際工程中，設定的值可以通過(guò)預先計算或經(jīng)試驗得到);這樣，取樣電阻上的電壓和門(mén)限電壓通過(guò)比較器比較;當檢測到直流電源“過(guò)流”時(shí)，即過(guò)流信號在取樣電阻RM兩端電壓產(chǎn)生超過(guò)預先設置門(mén)限電壓上限值，電壓比較器響應動(dòng)作，輸出高電平，此電平信號觸發(fā)可控硅Q1的導通，則與可控硅的陰極串聯(lián)的電阻R2節點(diǎn)處將輸出電平信號，此信號處于持續鎖定狀態(tài)，此電平信號(即過(guò)流輸出信號響應動(dòng)作)輸出給IGBT的信號驅動(dòng)板，驅動(dòng)板立即閉鎖驅動(dòng)信號輸出，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?！　?/p>

?

　　另外，當過(guò)流保護電路輸出過(guò)流信號時(shí)，LED導通發(fā)光，指示過(guò)流信號檢出;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，即將可控硅復位，將IGBT驅動(dòng)器的驅動(dòng)信號輸出鎖定電平信號撤銷(xiāo)。

　　驅動(dòng)信號檢測

　　基于IGBT功率放大電路的同一橋臂上的兩路驅動(dòng)信號要留有“死區”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，驅動(dòng)信號的脈沖過(guò)寬和過(guò)窄，以及無(wú)脈沖輸出，會(huì )嚴重影響功率放大電路的穩定運行。

　　當功率開(kāi)關(guān)放大電路使用固定驅動(dòng)信號時(shí)，可以運用脈沖寬度檢測方法，選擇適當的頻率信號作為計數的時(shí)標單位，對驅動(dòng)信號的高電平持續進(jìn)行時(shí)標信號計數，并且將計數的個(gè)數值轉換為時(shí)間，即得到脈沖寬度值。

　　電路實(shí)現：在CPLD中設置預先設定的計數門(mén)限值，即驅動(dòng)信號高電平或者低電平持續的最大計數值;對輸入的驅動(dòng)信號的高電平或者低電平持續計數，將采樣得到的單位計數值與預置的門(mén)限計數值進(jìn)行比較，如果計數值小于或者大于預先設置的值，則檢測模塊輸出閉鎖信號，切斷驅動(dòng)信號輸出模塊的信號輸出，完成驅動(dòng)信號的高電平脈沖寬度檢測;同時(shí)，模塊將驅動(dòng)信號進(jìn)行反相邏輯轉換，然后再檢測轉換后形成的高電平脈沖寬度，這樣，實(shí)現驅動(dòng)信號的低電平的脈沖寬度檢測?！　?/p>

?