基于IGBT的電磁振蕩設計(05-100)

前言

IGBT是絕緣柵極雙極型晶體管。它是一種新型的功率開關器件，電壓控制器件,具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性強、耐壓高方面的優點，因此在現實電力電子裝置中得到了廣泛的應用。在我們的設計中使用的是西門子公司生產的BSM50GB120，它的正常工作電流是50A，電壓為1200V，根據具體的情況需要，還可以選取其它型號的IGBT。對于IGBT的驅動電路模塊，市場上也有賣的，其中典型的是EXB840、2SD315A、IR2130等等。但是在家用電器中，考慮到驅動保護特性，以及成本方面的因數，設計出了一種簡單實用的驅動保護電路。

通過電磁振蕩產生的強大磁場，然后作用在鍋具(磁性的)上形成渦流，實現加熱功能的。使用這種方案的器具，憑借其衛生、使用方便可靠，尤其是節能方面優點更顯著，熱效率一般能夠達到90%多，所以在人們的日常生活中得到了廣泛的應用。目前，這種電磁振蕩方案以其結構簡單清晰、可靠性高、成本低的特點，在實際中已經得到了廣泛的應用。而且這種IGBT驅動保護電路和電磁振蕩方案可以在家用電器中的電磁爐、電磁電飯鍋、電磁熱水壺、電磁熱水器等。

IGBT的驅動保護電路

IGBT的驅動電路

根據不同的功能要求，可以選取不同的驅動電路，在有些重要的大電流或者是昂貴的電子設備中，我們可以選取專門的IGBT驅動及保護芯片，可靠性很高，但是在一些低成本，如家用電器中，這些驅動模塊就不太實用了。

如圖1所示，其中包括了IGBT的具體驅動電路， 滿足了IGBT的驅動要求，采用的是單電源15V供電的方式，IGBT的柵極電壓可以為15V和0V，可以保證IGBT的正常導通與關斷，電路簡單，實用于低成本的家用電器控制器中。

其中A點為IGBT的控制輸入信號。當輸入高電平的時候，Q4導通，則B點為高電平，從而驅動Q1導通，Q2截止，使得D點電壓為+15V，然后通過電阻R2驅動IGBT，此時D4相當于開路，R2為斷開的。D1、D2為15V的穩壓二極管，他們可以控制IGBT的G點在15V, 控制IGBT導通。當A點輸入的是低電平，Q4截止，B點為低電平，從而驅動Q2導通，Q1截止，D點電平為低的，這時R1與R2認為是并聯的，使得IGBT為截止狀態。

IGBT的保護電路

首先是過流保護措施，IGBT的短路電流的大小與柵極電壓有關,在實際應用中,可以通過減少柵極電壓來降低短路電流或延長承受短路電流的時間。在電磁振蕩過程中，其振蕩頻率為30KHz～40KHz，在一個周期中，IGBT開通的時間大概是15~25μs。當發生過流情況時，IGBT的C、E兩端的電壓會升高，使得D7相當于斷開了，這個時候IGBT為導通的，B點電壓為15V，二極管D6導通，然后通過R6,R7為電容器C1充電，如果過流時間超過2μs后，C點的電壓使得穩壓二極管D5導通，導致Q3處于導通狀態，在電路中選用的穩壓二極管D3為10V的，這樣由于D3的鉗位作用，這樣有效地降低了IGBT的柵極電壓VGE，根據IGBT的驅動特性，可以延長IGBT的短路電流的承受時間。在電磁振蕩電路中，IGBT開啟的時間很短，采取這樣降低柵極電壓的方法可以有效地保護器件。

通過對接的兩個穩壓二極管可以有效低鉗位D點的電壓不能超過15V,在D點與地線之間接上一個幾十KΩ的電阻，這樣可以作為柵極驅動電壓的過壓保護。在IGBT關斷的時候，二極管D4導通，則此時柵極電阻RG則相當于是R1與R2兩個電阻并聯的電阻，這樣使得柵極電阻RG更小，這樣可以有效地起到集電極電流變化過大保護作用。此外在繪制PCB時，在加粗地線的同時得注意驅動電路與IGBT柵極、發射極之間的距離，盡量減小柵極與發射極的等效電感。

圖 1     IGBT驅動保護電路

IGBT在電磁振蕩中的應用  

圖2為電磁振蕩的原理圖，其中包括電源主回路、同步電路、脈寬調制電路、IGBT的驅動保護電路。其中IGBT的驅動保護電路是采用的圖1的方案。在完整的電磁振蕩電路中還包括電源電路、電流負反饋電路、過壓保護電路、以及單片機控制電路。

主回路中，IGBT受到的驅動信號為近似矩形的脈沖，當IGBT導通的時候，勵磁線圈L2的電流急劇增加，能量以電感的電流形式保存起來，當IGBT截止時，勵磁線圈L2與電容C3的并聯回路發生諧振，電壓可以超過1000V。驅動矩形脈沖信號的脈寬決定了電磁振蕩工作的功率，但是這個寬度是通過同步電路和脈寬調制電路共同決定的。

同步電路必須準確監視主回路工作狀況，當IGBT的集電極電壓下降接近0V時，勵磁線圈中電流正在反向減小，通過脈寬調制電路輸出一個觸發脈沖，通過同步電路和脈寬調制電路組成的電路可以使驅動脈沖再次加到IGBT的柵極，強行使IGBT導通。
在脈寬調制電路中，通過改變 電平的值，可以控制功率，它是由單片機輸出與電流負反饋信號共同決定的。IC1和IC2為快速比較器LM319。如圖2中所示，當V3> 時，比較器的輸出端相當于開路，通過外接上拉電阻，可以得到高電平，從而驅動IGBT導通，而當V3<  時，比較器的輸出口相當于接地，輸出為低電平。

 
圖2  電磁振蕩電路圖

如圖2為電磁振蕩電路原理圖，當220V的交流電經過硅橋（B1），再通過電容C1的濾波處理，轉換成為直流電壓信號。勵磁線圈（爐盤）和電容C3為并聯的，用以產生電磁振蕩。

圖3為電磁振蕩過程中的各點的波形，這些信號都是在振蕩過程中相當重要的，如果有一個信號出錯，都會影響電磁振蕩的正常進行，其中包括了參考電源信號V1，電壓反饋信號V2，以及同步結果信號V5，控制功率的參考電壓信號Vref，以及IGBT的驅動信號等。

t0－t1過程：IGBT為截止狀態，L、C正在發生振蕩。首先，在t0時刻，電路中的能量表現為電感L2的電流，接下來能量通過電感轉向電容器，即以電流的形式向電壓的形式轉換，通過電容器C3與電感L2的并聯回路給電容充電。當電容電壓達到最大值的時候，如圖3中的V2的峰值時刻，這時電容的電壓能夠達到1000V，電感的電流為0，接下來能量從電容C3轉向電感。當V2電壓低于比較的電壓信號V1時，比較器1的輸出發生一次翻轉，此時電容C5迅速放電，使得V3的電壓低于了功率參考電壓Vref，由于比較器2的作用，強行使IGBT導通。

t1－t2過程：IGBT為導通狀態，這個時間段內，電感L2的電流急劇增加，如圖3所示，反饋電壓V2接近0，比較器1的輸出口V5也為低電平。在這個時候，電容C5開始充電，當這個電壓（V3）高于功率參考電壓Vref的時候，比較器2的輸出口電壓發生翻轉，把IGBT的驅動電壓強行拉低了，這就是一個IGBT導通的一個過程。

t0－t2的過程就是一個電磁振蕩的過程，也是電磁振蕩的一個周期，以后的過程與這段時間相同，如圖3中，t2－t3過程與t0－t1過程完全相同，t3－t4過程與t1－t2過程完全相同。t0－t1的時間間隔取決于諧振線圈L2和諧振電容C3，所以這個電磁振蕩的頻率f主要取決于L2和C3。

     
圖3  電磁振蕩過程中的一些重要信號波形

電壓V1、V2的選取在整個系統中相當重要，它關系到同步電路部分能否準確監測主回路的狀態。在靜態的時候，V2 要略高于V1，以保證比較器1的輸出為高。但是如果V2過高，R14選取相對過大，在振蕩的過程中，會出現電容C3的電壓已降為0時不能及時驅動IGBT，使其導通，這樣不能準確監測主回路的工作狀態。同樣如果R14與R12的匹配的值過小，會提前促使IGBT導通，這樣一來由于反壓過高，此時IGBT一旦導通，就會被損壞。

在反復的實驗中，得到了如圖4的數據，t1和t1’則并不是同一時刻，這是值得注意的，這也是相當重要的。一個振蕩周期大概為40μs，如圖4中所示，t1’要比t1滯后2個μs，這個滯后是允許的，但是這個時間不能太長。說明在反饋電壓V2還沒有降到0的時候，已經又有信號驅動IGBT，使其導通。首先這個時間是允許的，因為IGBT有一個柵極電壓VGE，這個電壓的具體值根據不同的器件而定的，大概為2V～5V，說明在t1’時刻IGBT不一定已經導通了。其次，這個時間不易過長，如果過長了，則會出現反饋電壓V2還沒有降到0，就再次驅動IGBT了，這個時候IGBT的集電極還有很高的電壓，這樣一來，IGBT很可能受到損壞。在實際的電路中，可以通過調節V1與V2的電壓來控制t1與t1’之間的時間間隔，其中V1是一個參考電壓，也就是一個基準電壓，V2是反饋電壓，通過使用比較器起到同步的作用。

圖4  把驅動電壓與反饋電壓合成的效果圖

結語

該IGBT的驅動電路具有廉價、簡單、可靠實用的特點。沒有采用以往的正負電源供電的復雜電源，而是采用的+15V與0V的驅動方案，為設計帶來了方便。

在保護電路中使用了延時緩降柵極電壓的過流保護措施，結合電磁產品中的驅動要求，這種保護措施是行之有效的。同時還考慮到了柵極驅動電壓的過壓保護和集電極電壓變化過快的保護措施。