大功率弧焊逆變電源的IGBT保護技術(shù)

3．IGBT的保護措施

　　由于其結構和安全工作區知IGBT的可靠與否主要由以下因素決定：

　　1、柵極與發(fā)射極電壓

　　2、集電極與發(fā)射極電壓

　　3、流過(guò)集電極的電流

　　4、IGBT的結溫

　　以上的四個(gè)因素在工作環(huán)境惡劣的弧焊逆變電源中都是需要注意的，尤其是第二項和第三項是我們在設計保護電路中重點(diǎn)考慮的內容。

3.1　IGBT柵極的保護

　　IGBT的柵極－發(fā)射極驅動(dòng)電壓

的保證電壓為

，因此在IGBT的驅動(dòng)電路應當設置柵極壓限幅電路；另外由于焊接電源設備工作環(huán)境非常惡劣，在運輸或振動(dòng)過(guò)程中可能會(huì )使柵極回路斷開(kāi)，這時(shí)如果電源設備開(kāi)始工作，則隨著(zhù)集電極電位的變化，由于柵極與與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極－發(fā)射極間有電流流過(guò)。這時(shí)若集電極和發(fā)射極處于高壓狀態(tài)時(shí)，會(huì )使IGBT發(fā)熱，極易引起IGBT損壞。為防止此類(lèi)情況發(fā)生，可在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只 的電阻，此電阻應盡量靠近柵極與發(fā)身極。如圖3所示。

圖3

3.2　集電極與發(fā)射極的過(guò)壓保護

　　弧焊逆變電源進(jìn)入焊接狀態(tài)時(shí)，輸出端即從空載轉入接近短路狀態(tài)，這時(shí)要求輸出電流必須處于所需要的恒定狀態(tài)。理論上，采用恒流閉環(huán)控制系統即可以控制電源的短路電流，但實(shí)際短路時(shí)，輸出電壓很低，即IGBT的工作脈寬很窄，才能保證輸出電流恒定，這就造成了IGBT在很短的導通期間，吸收電容未分放電而馬上關(guān)斷，且因分布電感和漏感的影響，IGBT的關(guān)斷是在承受較高的反壓下進(jìn)行的，極易使IGBT損壞，為了使IGBT 關(guān)斷過(guò)電壓能得到有效的抑制并減少關(guān)斷損耗，需要給IGBT主電路設置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型，從吸收過(guò)電壓的能力上來(lái)說(shuō)，充放電型效果較好，所以可在弧焊逆變電源中的IGBT過(guò)壓保護緩沖電路可采用圖4所示緩沖吸收電路：

圖4

　　在此硬件電路的基礎上，結合單片機的控制系統可檢測輸出電壓低于某一設定值時(shí)，單片機便認為負載電弧是處于短路狀態(tài)，這時(shí)單片機便對IGBT的最小脈沖寬度進(jìn)行限制，以保證吸收電容有足夠的放電時(shí)間，從而降低IGBT的關(guān)斷反向電壓。同時(shí)為保證輸出電流恒定，單片機在判斷輸出為短路時(shí)將逆變器的等脈沖寬度調節（PWM）變?yōu)轭l率調節控制（PFM），即脈沖分頻控制，輸出電壓越低，輸出脈沖的頻率越低。其單片機程序過(guò)程如圖5所示：

　　這與傳統的簡(jiǎn)單限流或直接關(guān)閉IGBT的控制方式有本質(zhì)的區別，它是利用單片機的智能性改變其工作方式來(lái)保護IGBT的安全，從而可靠的保證IGBT的安全。

3.3　過(guò)流保護