IGBT功率放大電路保護方法的應(yīng)用

　　摘要：本文針對IGBT功率放大電路的保護問題，探討了過流檢測電路、驅(qū)動信號脈寬檢測及過熱保護的實現(xiàn)方法，通過仿真與試驗，驗證保護電路的效果。

　　引言

　　基于IGBT的大功率開關(guān)放大電路運行時，功率大、電壓高，經(jīng)常受到容性或感性負載的沖擊，承受過負荷，器件的運行區(qū)超出所給定的安全工作區(qū)，同時，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)計出IGBT功率放大電路的保護電路，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

　　針對前文提到的橋臂直通、過電流、過熱等三個問題，本文提出不同形式的電路，滿足IGBT器件的保護需求。

　　驅(qū)動信號檢測(防止橋臂直通)：在基于IGBT的功率開關(guān)放大電路中，驅(qū)動信號必須是帶死區(qū)的方波信號，信號“死區(qū)^[1]”一旦消失，控制時序出現(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)時間必須是微秒級;雖然可以采用分立器件設(shè)計檢測電路，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)計中的易用性特點，編寫相應(yīng)的檢測電路代碼，對CPLD進行編程，得到驅(qū)動信號的脈沖寬度檢測電路的核心處理單元，同時，設(shè)計相應(yīng)的外部信號接口電路，從而實現(xiàn)對驅(qū)動信號的脈沖寬度的“死區(qū)”檢測;

　　過流保護：IGBT功率開關(guān)電路的過電流會造成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)動器等高速器件來設(shè)計“過流”保護電路，使過流保護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電路的分閘與合閘控制，是一種可行的方法。

　　過熱保護：對IGBT的結(jié)溫進行監(jiān)測，當結(jié)溫超過設(shè)定值，輸出報警，切斷IGBT的直流電源及其驅(qū)動信號的輸入，設(shè)計適用的電路，從而達到對基于IGBT的功率開關(guān)電路的保護目的。

　　保護電路的設(shè)計

　　過流檢測

　　過流檢測電路設(shè)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，電流互感器實時采樣并輸出通過IGBT的直流電流值;采樣值經(jīng)取樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，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(實際工程中，設(shè)定的值可以通過預(yù)先計算或經(jīng)試驗得到);這樣，取樣電阻上的電壓和門限電壓通過比較器比較;當檢測到直流電源“過流”時，即過流信號在取樣電阻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)動作，輸出高電平，此電平信號觸發(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)點處將輸出電平信號，此信號處于持續(xù)鎖定狀態(tài)，此電平信號(即過流輸出信號響應(yīng)動作)輸出給IGBT的信號驅(qū)動板，驅(qū)動板立即閉鎖驅(qū)動信號輸出，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?！　?/p>

?

　　另外，當過流保護電路輸出過流信號時，LED導(dǎo)通發(fā)光，指示過流信號檢出;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)動器的驅(qū)動信號輸出鎖定電平信號撤銷。

　　驅(qū)動信號檢測

　　基于IGBT功率放大電路的同一橋臂上的兩路驅(qū)動信號要留有“死區(qū)”時間，也就是不能同時為高電平，否則會造成開關(guān)電路的橋臂直通而短路，驅(qū)動信號的脈沖過寬和過窄，以及無脈沖輸出，會嚴重影響功率放大電路的穩(wěn)定運行。

　　當功率開關(guān)放大電路使用固定驅(qū)動信號時，可以運用脈沖寬度檢測方法，選擇適當?shù)念l率信號作為計數(shù)的時標單位，對驅(qū)動信號的高電平持續(xù)進行時標信號計數(shù)，并且將計數(shù)的個數(shù)值轉(zhuǎn)換為時間，即得到脈沖寬度值。

　　電路實現(xiàn)：在CPLD中設(shè)置預(yù)先設(shè)定的計數(shù)門限值，即驅(qū)動信號高電平或者低電平持續(xù)的最大計數(shù)值;對輸入的驅(qū)動信號的高電平或者低電平持續(xù)計數(shù)，將采樣得到的單位計數(shù)值與預(yù)置的門限計數(shù)值進行比較，如果計數(shù)值小于或者大于預(yù)先設(shè)置的值，則檢測模塊輸出閉鎖信號，切斷驅(qū)動信號輸出模塊的信號輸出，完成驅(qū)動信號的高電平脈沖寬度檢測;同時，模塊將驅(qū)動信號進行反相邏輯轉(zhuǎn)換，然后再檢測轉(zhuǎn)換后形成的高電平脈沖寬度，這樣，實現(xiàn)驅(qū)動信號的低電平的脈沖寬度檢測?！　?/p>

?