IGBT功率放大保護(hù)電路的設(shè)計方案

IGBT功率放大保護(hù)電路的設(shè)計方案基于IGBT的大功率開關(guān)放大電路運(yùn)行時，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，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(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。不同形式的電路保護(hù)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(hù)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)”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(diǎn)，編寫相應(yīng)的檢測電路代碼，對CPLD進(jìn)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(shí)現(xiàn)對驅(qū)動信號的脈沖寬度的“死區(qū)”檢測;過流保護(hù)：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(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IGBT的結(jié)溫進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)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(dá)到對基于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(shí)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(shí)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(dāng)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(diǎn)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(hù)。

圖1：過流檢測電路原理另外，當(dāng)過流保護(hù)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，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(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)動信號時，可以運(yùn)用脈沖寬度檢測方法，選擇適當(dāng)?shù)念l率信號作為計數(shù)的時標(biāo)單位，對驅(qū)動信號的高電平持續(xù)進(jìn)行時標(biāo)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動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(qū)動信號檢測模塊包含三個模塊：計數(shù)，鎖存和控制，如圖2所示。其中，計數(shù)模塊統(tǒng)計驅(qū)動信號的高電平的時標(biāo)頻率信號個數(shù)，并輸出鎖存清零信號，鎖存模塊將數(shù)據(jù)鎖存，控制模塊判斷驅(qū)動信號高電平內(nèi)的時標(biāo)頻率信號的個數(shù)是否超過預(yù)置門限值。過熱檢測IGBT的損耗功率隨著開關(guān)頻率的增高而增大，大功率運(yùn)行時，損耗功率易急劇增加發(fā)熱，由于IGBT的結(jié)溫不超過125℃，基于IGBT的功率開關(guān)電路不能長期工作在結(jié)溫點(diǎn)上限，否則，IGBT將過熱損毀，因此，設(shè)計出溫度檢測電路，實(shí)現(xiàn)對IGBT的結(jié)溫檢測，從而達(dá)到保護(hù)目的。設(shè)計過熱保護(hù)電路時，首先選擇一個適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟戎担鳛橥獠靠刂葡到y(tǒng)的報警與保護(hù)動作門限值，電路設(shè)計可以采用類似過流檢測電路的模式，適用比較電路實(shí)現(xiàn);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(jiān)測輸出IGBT的工作溫度。這樣，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)的報警溫度臨界點(diǎn)，保護(hù)電路能夠及時采樣溫度信號，并使得過熱保護(hù)電路響應(yīng)輸出。另外，對于采用水循環(huán)散熱的IGBT功率放大電路，設(shè)置冷卻水流量監(jiān)測，實(shí)時檢測功放單元工作時冷卻水的流量，監(jiān)測流量是否超過IGBT工作時適宜的溫度值需要的流量限定值;當(dāng)冷卻水的流量低于設(shè)定下限，過熱檢測電路輸出過熱保護(hù)信號。

以上兩種過熱檢測電路在實(shí)際運(yùn)行時，過熱報警觸發(fā)輸出的信號與直流電源開關(guān)的IGBT的驅(qū)動板的驅(qū)動信號產(chǎn)生邏輯關(guān)聯(lián)，閉鎖IGBT驅(qū)動器的驅(qū)動信號輸出，進(jìn)而切斷功率放大器的IGBT直流電源的供電，從而保護(hù)功率開關(guān)電路的IGBT器件。仿真與實(shí)驗針對前文設(shè)計的驅(qū)動信號脈沖寬度檢測電路，通過仿真進(jìn)行功能驗證，仿真結(jié)果如圖3所示，當(dāng)驅(qū)動信號（signal）脈沖過窄時，檢測模塊輸出高電平（signal_error）信號，意味著驅(qū)動信號的高電平信號脈寬小于預(yù)先設(shè)定的脈寬門限值上限，輸出高電平報警。實(shí)驗驗證為了進(jìn)一步驗證本文所設(shè)計的保護(hù)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舉例過流保護(hù)動作后的實(shí)驗波形，圖中曲線分別為功率放大器輸出電壓波形、輸出電流波形。觀察分析曲線的結(jié)果，得出結(jié)論：當(dāng)IGBT在不同工作參數(shù)運(yùn)行期間，一旦發(fā)生過流信號被保護(hù)電路檢測，IGBT驅(qū)動板封鎖驅(qū)動信號輸出，IGBT被關(guān)閉，通過IGBT功率放大電路的電壓和電流