基于IGBT的大功率開(kāi)關(guān)放大電路運行時(shí)會(huì )有功率大、電壓高的需求，因此IGBT經(jīng)常受到容性或感性負載的沖擊，承受過(guò)負荷，器件的運行區超出所給定的安全工作區，同時(shí)，由于IGBT的耐電應力沖擊能力差，易導致器件損毀。因此，設計出IGBT功率放大電路的保護電路，解決IGBT潛在的橋臂直通、過(guò)電流、過(guò)熱等故障因素，是非常有必要的。

 

 

針對前文提到的橋臂直通、過(guò)電流、過(guò)熱等三個(gè)問(wèn)題，本文提出不同形式的電路，滿(mǎn)足IGBT器件的保護需求。

 

驅動(dòng)信號檢測(防止橋臂直通)：在基于IGBT的功率開(kāi)關(guān)放大電路中，驅動(dòng)信號必須是帶死區的方波信號，信號“死區”一旦消失，控制時(shí)序出現紊亂，從而造成同一側橋臂直通，后果是IGBT器件損毀，而且控制“死區”的響應時(shí)間必須是微秒級；雖然可以采用分立器件設計檢測電路，但調試比較繁瑣；本文選擇CPLD作為邏輯電路的載體，發(fā)揮其在邏輯電路設計中的易用性特點(diǎn)，編寫(xiě)相應的檢測電路代碼，對CPLD進(jìn)行編程，得到驅動(dòng)信號的脈沖寬度檢測電路的核心處理單元，同時(shí)，設計相應的外部信號接口電路，從而實(shí)現對驅動(dòng)信號的脈沖寬度的“死區”檢測。

 

過(guò)流保護：IGBT功率開(kāi)關(guān)電路的過(guò)電流會(huì )造成IGBT非正常退出飽和區，從而造成IGBT的損壞；采用霍爾傳感器，比較器、驅動(dòng)器等高速器件來(lái)設計“過(guò)流”保護電路，使過(guò)流保護電路能夠控制作為直流電源開(kāi)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(guò)熱保護：對IGBT的結溫進(jìn)行監測，當結溫超過(guò)設定值，輸出報警，切斷IGBT的直流電源及其驅動(dòng)信號的輸入，設計適用的電路，從而達到對基于IGBT的功率開(kāi)關(guān)電路的保護目的。

 

 

 

過(guò)流檢測電路設計原理圖如圖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(shí)時(shí)采樣并輸出通過(guò)IGBT的直流電流值；采樣值經(jīng)取樣電阻，將電流信號轉換為電壓信號，并送至比較器輸入端，比較器的門(mén)限電壓通過(guò)電位器RP來(lái)調整和設定(實(shí)際工程中，設定的值可以通過(guò)預先計算或經(jīng)試驗得到)；這樣，取樣電阻上的電壓和門(mén)限電壓通過(guò)比較器比較；當檢測到直流電源“過(guò)流”時(shí)，即過(guò)流信號在取樣電阻RM兩端電壓產(chǎn)生超過(guò)預先設置門(mén)限電壓上限值，電壓比較器響應動(dòng)作，輸出高電平，此電平信號觸發(fā)可控硅Q1的導通，則與可控硅的陰極串聯(lián)的電阻R2節點(diǎn)處將輸出電平信號，此信號處于持續鎖定狀態(tài)，此電平信號(即過(guò)流輸出信號響應動(dòng)作)輸出給IGBT的信號驅動(dòng)板，驅動(dòng)板立即閉鎖驅動(dòng)信號輸出，這樣IGBT被斷開(kāi)，提供給功率放大電路的直流電源被切斷，IGBT器件得到保護。

圖1 過(guò)流檢測電路原理

 

另外，當過(guò)流保護電路輸出過(guò)流信號時(shí)，LED導通發(fā)光，指示過(guò)流信號檢出；待確定IGBT功率放大電路的過(guò)流狀態(tài)消失，則可以通過(guò)外部控制將開(kāi)關(guān)S閉合，可控硅復位，將IGBT驅動(dòng)器的驅動(dòng)信號輸出鎖定電平信號撤銷(xiāo)。、

 

基于IGBT功率放大電路的同一橋臂上的兩路驅動(dòng)信號要留有“死區”時(shí)間，也就是不能同時(shí)為高電平，否則會(huì )造成開(kāi)關(guān)電路的橋臂直通而短路，驅動(dòng)信號的脈沖過(guò)寬和過(guò)窄，以及無(wú)脈沖輸出，會(huì )嚴重影響功率放大電路的穩定運行。當功率開(kāi)關(guān)放大電路使用固定驅動(dòng)信號時(shí)，可以運用脈沖寬度檢測方法，選擇適當的頻率信號作為計數的時(shí)標單位，對驅動(dòng)信號的高電平持續進(jìn)行時(shí)標信號計數，并且將計數的個(gè)數值轉換為時(shí)間，即得到脈沖寬度值。

 

電路實(shí)現：在CPLD中設置預先設定的計數門(mén)限值，即驅動(dòng)信號高電平或者低電平持續的最大計數值；對輸入的驅動(dòng)信號的高電平或者低電平持續計數，將采樣得到的單位計數值與預置的門(mén)限計數值進(jìn)行比較，如果計數值小于或者大于預先設置的值，則檢測模塊輸出閉鎖信號，切斷驅動(dòng)信號輸出模塊的信號輸出，完成驅動(dòng)信號的高電平脈沖寬度檢測；同時(shí)，模塊將驅動(dòng)信號進(jìn)行反相邏輯轉換，然后再檢測轉換后形成的高電平脈沖寬度，這樣，實(shí)現驅動(dòng)信號的低電平的脈沖寬度檢測。

圖2 脈沖寬度檢測邏輯圖

 

驅動(dòng)信號檢測模塊包含三個(gè)模塊：計數，鎖存和控制，如圖2所示。其中，計數模塊統計驅動(dòng)信號的高電平的時(shí)標頻率信號個(gè)數，并輸出鎖存清零信號，鎖存模塊將數據鎖存，控制模塊判斷驅動(dòng)信號高電平內的時(shí)標頻率信號的個(gè)數是否超過(guò)預置門(mén)限值。

 

IGBT的損耗功率隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的增高而增大，大功率運行時(shí)，損耗功率易急劇增加發(fā)熱，由于IGBT的結溫不超過(guò)125℃，基于IGBT的功率開(kāi)關(guān)電路不能長(cháng)期工作在結溫點(diǎn)上限，否則，IGBT將過(guò)熱損毀，因此，設計出溫度檢測電路，實(shí)現對IGBT的結溫檢測，從而達到保護目的。設計過(guò)熱保護電路時(shí)，首先選擇一個(gè)適當的工作溫度值，作為外部控制系統的報警與保護動(dòng)作門(mén)限值，電路設計可以采用類(lèi)似過(guò)流檢測電路的模式，適用比較電路實(shí)現；再者，選用表面貼裝式溫度測量模塊安裝在IGBT模塊的散熱器表面，溫度傳感器監測輸出IGBT的工作溫度。這樣，當溫度超過(guò)預設的報警溫度臨界點(diǎn)，保護電路能夠及時(shí)采樣溫度信號，并使得過(guò)熱保護電路響應輸出。

 

另外，對于采用水循環(huán)散熱的IGBT功率放大電路，設置冷卻水流量監測，實(shí)時(shí)檢測功放單元工作時(shí)冷卻水的流量，監測流量是否超過(guò)IGBT工作時(shí)適宜的溫度值需要的流量限定值；當冷卻水的流量低于設定下限，過(guò)熱檢測電路輸出過(guò)熱保護信號。

以上兩種過(guò)熱檢測電路在實(shí)際運行時(shí)，過(guò)熱報警觸發(fā)輸出的信號與直流電源開(kāi)關(guān)的IGBT的驅動(dòng)板的驅動(dòng)信號產(chǎn)生邏輯關(guān)聯(lián)，閉鎖IGBT驅動(dòng)器的驅動(dòng)信號輸出，進(jìn)而切斷功率放大器的IGBT直流電源的供電，從而保護功率開(kāi)關(guān)電路的IGBT器件。

 

針對前文設計的驅動(dòng)信號脈沖寬度檢測電路，通過(guò)仿真進(jìn)行功能驗證，仿真結果如圖3所示，當驅動(dòng)信號(signal)脈沖過(guò)窄時(shí)，檢測模塊輸出高電平(signal_error)信號，意味著(zhù)驅動(dòng)信號的高電平信號脈寬小于預先設定的脈寬門(mén)限值上限，輸出高電平報警。

 

 

為了進(jìn)一步驗證本文所設計的保護電路的有效性，在IGBT功率放大器上進(jìn)行了實(shí)際測試。圖4與圖5舉例過(guò)流保護動(dòng)作后的實(shí)驗波形，圖中曲線(xiàn)分別為功率放大器輸出電壓波形、輸出電流波形。觀(guān)察分析曲線(xiàn)的結果，得出結論：當IGBT在不同工作參數運行期間，一旦發(fā)生過(guò)流信號被保護電路檢測，IGBT驅動(dòng)板封鎖驅動(dòng)信號輸出，IGBT被關(guān)閉，通過(guò)IGBT功率放大電路的電壓和電流在極短時(shí)間內降為零值，IGBT得到了保護。