IGBT功率放大電路保護方法的應用

　　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、驅動信號脈寬檢測及過熱保護的實現方法，通過仿真與試驗，驗證保護電路的效果。

　　引言

　　基于IGBT的大功率開關放大電路運行時，功率大、電壓高，經常受到容性或感性負載的沖擊，承受過負荷，器件的運行區超出所給定的安全工作區，同時，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。

　　驅動信號檢測(防止橋臂直通)：在基于IGBT的功率開關放大電路中，驅動信號必須是帶死區的方波信號，信號“死區^[1]”一旦消失，控制時序出現紊亂，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，發揮其在邏輯電路設計中的易用性特點，編寫相應的檢測電路代碼，對CPLD進行編程，得到驅動信號的脈沖寬度檢測電路的核心處理單元，同時，設計相應的外部信號接口電路，從而實現對驅動信號的脈沖寬度的“死區”檢測;

　　過流保護：IGBT功率開關電路的過電流會造成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、驅動器等高速器件來設計“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的結溫進行監測，當結溫超過設定值，輸出報警，切斷IGBT的直流電源及其驅動信號的輸入，設計適用的電路，從而達到對基于IGBT的功率開關電路的保護目的。

　　保護電路的設計

　　過流檢測

　　過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，電流互感器實時采樣并輸出通過IGBT的直流電流值;采樣值經取樣電阻，將電流信號轉換為電壓信號，并送至比較器輸入端，比較器的門限電壓通過電位器RP來調整和設定(實際工程中，設定的值可以通過預先計算或經試驗得到);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兩端電壓產生超過預先設置門限電壓上限值，電壓比較器響應動作，輸出高電平，此電平信號觸發可控硅Q1的導通，則與可控硅的陰極串聯的電阻R2節點處將輸出電平信號，此信號處于持續鎖定狀態，此電平信號(即過流輸出信號響應動作)輸出給IGBT的信號驅動板，驅動板立即閉鎖驅動信號輸出，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。　　

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　　另外，當過流保護電路輸出過流信號時，LED導通發光，指示過流信號檢出;待確定IGBT功率放大電路的過流狀態消失，則可以通過外部控制將開關S閉合，即將可控硅復位，將IGBT驅動器的驅動信號輸出鎖定電平信號撤銷。

　　驅動信號檢測

　　基于IGBT功率放大電路的同一橋臂上的兩路驅動信號要留有“死區”時間，也就是不能同時為高電平，否則會造成開關電路的橋臂直通而短路，驅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定運行。

　　當功率開關放大電路使用固定驅動信號時，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標單位，對驅動信號的高電平持續進行時標信號計數，并且將計數的個數值轉換為時間，即得到脈沖寬度值。

　　電路實現：在CPLD中設置預先設定的計數門限值，即驅動信號高電平或者低電平持續的最大計數值;對輸入的驅動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限計數值進行比較，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，切斷驅動信號輸出模塊的信號輸出，完成驅動信號的高電平脈沖寬度檢測;同時，模塊將驅動信號進行反相邏輯轉換，然后再檢測轉換后形成的高電平脈沖寬度，這樣，實現驅動信號的低電平的脈沖寬度檢測。　　

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