中頻電阻焊機電源的IGBT保護
引言
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/178187.htm電阻焊是一種重要的焊接工藝,具有生產(chǎn)效率高、成本低、節省材料和易于自動(dòng)化等特點(diǎn)。IGBT是一種用MOS管來(lái)控制晶體管的電力電子器件,具有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點(diǎn)。本文從實(shí)際應用出發(fā),總結了過(guò)壓、過(guò)流與過(guò)熱保護的相關(guān)問(wèn)題和各種保護方法,適用性強、應用效果好。
中頻逆變直流電阻焊機的供電電源是由三相工頻交流電源經(jīng)整流電路和濾波電容轉換成直流電源,再經(jīng)由功率開(kāi)關(guān)器件組成的逆變電路轉換成中頻方波電源,然后輸入變壓器降壓后,經(jīng)低管壓降的大功率二極管整流成直流電源,供給焊機的電極,對工件進(jìn)行焊接(見(jiàn)圖1)??刂齐娐凡糠钟蒁SP和CPLD組成,DSP(TMS320LF2407A)產(chǎn)生的PWM波和檢測信號、保護信號在CPLD(EPM7128S)里現實(shí)邏輯運算。
逆變器通常采用電流反饋實(shí)現PWM,以獲得穩定的恒定電流輸出,電路原理和波形如圖1所示,圖中U電源為電源電壓,U初級為逆變器輸出中頻電壓,變壓器次級電流為I次級,控制PWM的脈寬可以控制I次級的大小,逆變電流采用全橋結構,主要優(yōu)點(diǎn)是主變壓器工作效率高,其主電路由4個(gè)IGBT和中頻變壓器組成,將直流電壓轉換成中頻方波交流電壓并送中頻變壓器,經(jīng)降壓整流濾波后輸出,電路的可靠性來(lái)自IGBT的穩定運行。

保證IGBT在安全工作范圍內并處于較好狀態(tài)下,是提高整機可靠性的關(guān)鍵技術(shù),而對IGBT的保護,主要包括過(guò)電流保護,過(guò)電壓保護和IGBT過(guò)熱保護。
IGBT的保護措施
IGBT的過(guò)電流保護
IGBT的大功率管通常只能承受10μs以下的短路電流,當IGBT遇到過(guò)流或短路時(shí),若不加保護或保護不當,就會(huì )使IGBT損壞。
M57962AL是IGBT專(zhuān)用驅動(dòng)模塊,它采用雙電源驅動(dòng)結構,內部集成有2500V高隔離電壓的光耦合器和過(guò)電流保護電路,以及過(guò)電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口,本文主要應用M57962AL來(lái)實(shí)現驅動(dòng)和過(guò)電流保護功能,電路見(jiàn)圖2。
圖2所示的IGBT驅動(dòng)與保護電路的工作原理為:驅動(dòng)信號輸入后,經(jīng)過(guò)高速光耦隔離,由M57962AL內置接口電路傳至功放級,在M57962AL的5腳產(chǎn)生+15V開(kāi)柵和-10V關(guān)柵電壓,驅動(dòng)IGBT導通與關(guān)斷。當過(guò)流發(fā)生時(shí),IGBT的Uce會(huì )顯著(zhù)高于正常導通值,飽和壓降一般為7V以上,就發(fā)生退飽和現象,此時(shí),M57962AL的保護電路檢測出IGBT的柵極和集電極同為高電平,判斷系統過(guò)流,M57962AL內置定時(shí)器,通過(guò)關(guān)柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值,同時(shí)發(fā)出故障信號,使8腳變?yōu)榈碗娖?如為瞬間過(guò)流,且在10μs內,1端回到低電平,則保護復位,電路恢復常態(tài)),輸出短路故障信號(低電平),保護信號傳到控制電路,立即關(guān)閉PWM的輸出,即驅動(dòng)信號關(guān)斷,從而起到保護IGBT的作用。
IGBT的過(guò)電壓保護
關(guān)斷IGBT時(shí),它的集電極電流下降率較高,極高的下降率將引起集電極過(guò)電壓。降低IGBT集-射極間電壓UCE的方法通常有兩種:一種是增大柵極電阻RG,但RG的增大將減緩IGBT的開(kāi)關(guān)速度,從而增加開(kāi)關(guān)損耗,此方法不太理想;還有一種就是采用緩沖吸收電路(見(jiàn)圖3)。

吸收電容CS與電阻RS串聯(lián)后跨接在IGBT的C、E兩端,就構成了RC吸收電路,由于RS的串入,使IGBT關(guān)斷時(shí)過(guò)電壓吸收效果較單電容緩沖電路要差,RS越大,吸收效果越差。所以,在緩沖吸收電路中,RS取值較小,這樣既有較好的吸收效果,同時(shí)對開(kāi)通時(shí)的電流尖峰又有抑制作用。
IGBT的過(guò)熱保護
由于IGBT是大功率半導體器件,損耗功率使其發(fā)熱較多,加之IGBT的結溫不能超過(guò)125攝氏度,不宜長(cháng)期工作在較高溫度下,因此要采取恰當的散熱措施進(jìn)行過(guò)熱保護。
本文采用普通散熱器與強迫風(fēng)冷相結合的措施,并在控制電路上加過(guò)熱檢測保護電路,應付IGBT與散熱器接觸不良或者非正常情況,在IGBT散熱片上安裝熱敏電阻,然后通過(guò)邏輯判斷電路給出信號,供控制電路處理(見(jiàn)圖4)。 U11為L(cháng)M393AN比較器,JP5處接上具有正溫度系數的熱敏電阻RT,Thref為參考電壓,可以通過(guò)調節電位器RP8來(lái)調節動(dòng)作門(mén)檻值。電路正常工作時(shí),2點(diǎn)電位比3點(diǎn)電位低,1點(diǎn)輸出信號THP為高電平,THP信號在CPLD(EPM7128S)中與PWM信號相與,當器件溫度超過(guò)極限時(shí),熱敏電阻值升高,2點(diǎn)電位高于3點(diǎn)電位,1點(diǎn)輸出低電平,經(jīng)CPLD封鎖PWM脈沖信號,驅動(dòng)輸出低電平,從而關(guān)斷IGBT,實(shí)現過(guò)熱保護。

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