IGBT功率放大電路保護(hù)方法的應(yīng)用

　　摘要：本文針對(duì)IGBT功率放大電路的保護(hù)問題，探討了過流檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈寬檢測(cè)及過熱保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法，通過仿真與試驗(yàn)，驗(yàn)證保護(hù)電路的效果。

　　引言

　　基于IGBT的大功率開關(guān)放大電路運(yùn)行時(shí)，功率大、電壓高，經(jīng)常受到容性或感性負(fù)載的沖擊，承受過負(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、過電流、過熱等故障因素，是非常有必要的。

　　概述

　　針對(duì)前文提到的橋臂直通、過電流、過熱等三個(gè)問題，本文提出不同形式的電路，滿足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)^[1]”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);

　　過流保護(hù)：IGBT功率開關(guān)電路的過電流會(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)器等高速器件來設(shè)計(jì)“過流”保護(hù)電路，使過流保護(hù)電路能夠控制作為直流電源開關(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的功率開關(guān)電路的保護(hù)目的。

　　保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　過流檢測(cè)

　　過流檢測(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，比較器的門限電壓通過電位器RP來調(diào)整和設(shè)定(實(shí)際工程中，設(shè)定的值可以通過預(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限電壓通過比較器比較;當(dāng)檢測(cè)到直流電源“過流”時(shí)，即過流信號(hào)在取樣電阻RM兩端電壓產(chǎn)生超過預(yù)先設(shè)置門限電壓上限值，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，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)?！　?/p>

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　　另外，當(dāng)過流保護(hù)電路輸出過流信號(hào)時(shí)，LED導(dǎo)通發(fā)光，指示過流信號(hào)檢出;待確定IGBT功率放大電路的過流狀態(tài)消失，則可以通過外部控制將開關(guān)S閉合，即將可控硅復(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。

　　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)造成開關(guān)電路的橋臂直通而短路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖過寬和過窄，以及無脈沖輸出，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)?！　?/p>

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