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掌握这几种电路，IGBT保护设计不在话下

发布时间：2015-02-06 责任编辑：sherryyu

【导读】本文介绍了基于IGBT功率放大器的三种?；し绞剑阂桓鯥GBT直流供电过流检测电路，一个基于CPLD的驱动信号脉冲宽度检测逻辑电路，一个针对IGBT结温设计检测的电路;并且对设计保护电路进行了举例仿真和实验举例，验证了?；さ缏返墓δ?。
 
基于IGBT的大功率开关放大电路运行时会有功率大、电压高的需求，因此IGBT经常受到容性或感性负载的冲击，承受过负荷，器件的运行区超出所给定的安全工作区，同时，由于IGBT的耐电应力冲击能力差，易导致器件损毁。因此，设计出IGBT功率放大电路的?；さ缏?，解决IGBT潜在的桥臂直通、过电流、过热等故障因素，是非常有必要的。
 
不同形式的电路?；?/strong>
 
针对前文提到的桥臂直通、过电流、过热等三个问题，本文提出不同形式的电路，满足IGBT器件的?；ば枨蟆?/div>
 
驱动信号检测(防止桥臂直通)：在基于IGBT的功率开关放大电路中，驱动信号必须是带死区的方波信号，信号“死区”一旦消失，控制时序出现紊乱，从而造成同一侧桥臂直通，后果是IGBT器件损毁，而且控制“死区”的响应时间必须是微秒级；虽然可以采用分立器件设计检测电路，但调试比较繁琐；本文选择CPLD作为逻辑电路的载体，发挥其在逻辑电路设计中的易用性特点，编写相应的检测电路代码，对CPLD进行编程，得到驱动信号的脉冲宽度检测电路的核心处理单元，同时，设计相应的外部信号接口电路，从而实现对驱动信号的脉冲宽度的“死区”检测。
 
过流?；ぃ篒GBT功率开关电路的过电流会造成IGBT非正常退出饱和区，从而造成IGBT的损坏；采用霍尔传感器，比较器、驱动器等高速器件来设计“过流”?；さ缏?，使过流?；さ缏纺芄豢刂谱魑绷鞯缭纯氐腎GBT，从而使得直流电源能够接受?；さ缏返姆终⒂牒险⒖刂疲且恢挚尚械姆椒?。
 
过热?；ぃ憾訧GBT的结温进行监测，当结温超过设定值，输出报警，切断IGBT的直流电源及其驱动信号的输入，设计适用的电路，从而达到对基于IGBT的功率开关电路的保护目的。
 
?；さ缏返纳杓?/strong>
 
过流检测
 
过流检测电路设计原理图如图1所示，在功率放大电路的IGBT的供电主回路中，串行安装电流互感器，电流互感器实时采样并输出通过IGBT的直流电流值；采样值经取样电阻，将电流信号转换为电压信号，并送至比较器输入端，比较器的门限电压通过电位器RP来调整和设定(实际工程中，设定的值可以通过预先计算或经试验得到)；这样，取样电阻上的电压和门限电压通过比较器比较；当检测到直流电源“过流”时，即过流信号在取样电阻RM两端电压产生超过预先设置门限电压上限值，电压比较器响应动作，输出高电平，此电平信号触发可控硅Q1的导通，则与可控硅的阴极串联的电阻R2节点处将输出电平信号，此信号处于持续锁定状态，此电平信号(即过流输出信号响应动作)输出给IGBT的信号驱动板，驱动板立即闭锁驱动信号输出，这样IGBT被断开，提供给功率放大电路的直流电源被切断，IGBT器件得到?；?。
过流检测电路原理
图1 过流检测电路原理
 
另外，当过流?；さ缏肥涑龉餍藕攀?，LED导通发光，指示过流信号检出；待确定IGBT功率放大电路的过流状态消失，则可以通过外部控制将开关S闭合，可控硅复位，将IGBT驱动器的驱动信号输出锁定电平信号撤销。、
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驱动信号检测
 
基于IGBT功率放大电路的同一桥臂上的两路驱动信号要留有“死区”时间，也就是不能同时为高电平，否则会造成开关电路的桥臂直通而短路，驱动信号的脉冲过宽和过窄，以及无脉冲输出，会严重影响功率放大电路的稳定运行。当功率开关放大电路使用固定驱动信号时，可以运用脉冲宽度检测方法，选择适当的频率信号作为计数的时标单位，对驱动信号的高电平持续进行时标信号计数，并且将计数的个数值转换为时间，即得到脉冲宽度值。
 
电路实现：在CPLD中设置预先设定的计数门限值，即驱动信号高电平或者低电平持续的最大计数值；对输入的驱动信号的高电平或者低电平持续计数，将采样得到的单位计数值与预置的门限计数值进行比较，如果计数值小于或者大于预先设置的值，则检测?？槭涑霰账藕?，切断驱动信号输出模块的信号输出，完成驱动信号的高电平脉冲宽度检测；同时，?？榻藕沤蟹聪嗦呒唬缓笤偌觳庾缓笮纬傻母叩缙铰龀蹇矶?，这样，实现驱动信号的低电平的脉冲宽度检测。
脉冲宽度检测逻辑图
图2 脉冲宽度检测逻辑图
 
驱动信号检测?？榘瞿？椋杭剖?，锁存和控制，如图2所示。其中，计数?？橥臣魄藕诺母叩缙降氖北昶德市藕鸥鍪⑹涑鏊媲辶阈藕?，锁存?？榻菟?，控制?？榕卸锨藕鸥叩缙侥诘氖北昶德市藕诺母鍪欠癯ぶ妹畔拗怠?/div> [page]

过热检测
 
IGBT的损耗功率随着开关频率的增高而增大，大功率运行时，损耗功率易急剧增加发热，由于IGBT的结温不超过125℃，基于IGBT的功率开关电路不能长期工作在结温点上限，否则，IGBT将过热损毁，因此，设计出温度检测电路，实现对IGBT的结温检测，从而达到?；つ康?。设计过热?；さ缏肥?，首先选择一个适当的工作温度值，作为外部控制系统的报警与?；ざ髅畔拗?，电路设计可以采用类似过流检测电路的模式，适用比较电路实现；再者，选用表面贴装式温度测量?？榘沧霸贗GBT?？榈纳⑷绕鞅砻?，温度传感器监测输出IGBT的工作温度。这样，当温度超过预设的报警温度临界点，?；さ缏纺芄患笆辈裳露刃藕牛⑹沟霉缺；さ缏废煊κ涑觥?/div>
 
另外，对于采用水循环散热的IGBT功率放大电路，设置冷却水流量监测，实时检测功放单元工作时冷却水的流量，监测流量是否超过IGBT工作时适宜的温度值需要的流量限定值；当冷却水的流量低于设定下限，过热检测电路输出过热?；ば藕?。
以上两种过热检测电路在实际运行时，过热报警触发输出的信号与直流电源开关的IGBT的驱动板的驱动信号产生逻辑关联，闭锁IGBT驱动器的驱动信号输出，进而切断功率放大器的IGBT直流电源的供电，从而?；すβ士氐缏返腎GBT器件。

仿真与实验
 
针对前文设计的驱动信号脉冲宽度检测电路，通过仿真进行功能验证，仿真结果如图3所示，当驱动信号(signal)脉冲过窄时，检测模块输出高电平(signal_error)信号，意味着驱动信号的高电平信号脉宽小于预先设定的脉宽门限值上限，输出高电平报警。
 
实验验证
 
为了进一步验证本文所设计的?；さ缏返挠行裕贗GBT功率放大器上进行了实际测试。图4与图5举例过流保护动作后的实验波形，图中曲线分别为功率放大器输出电压波形、输出电流波形。观察分析曲线的结果，得出结论：当IGBT在不同工作参数运行期间，一旦发生过流信号被?；さ缏芳觳?，IGBT驱动板封锁驱动信号输出，IGBT被关闭，通过IGBT功率放大电路的电压和电流在极短时间内降为零值，IGBT得到了保护。
 

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