【導(dǎo)讀】基于IGBT的大功率開關(guān)放大電路運(yùn)行時(shí)功率大、電壓高，常受到容性或感性負(fù)載的沖擊，加之IGBT的耐電應(yīng)力沖擊能力差，因此，設(shè)計(jì)IGBT功率放大電路的保護(hù)電路是非常有必要的。本文提出的三種不同形式的電路，完全滿足IGBT器件的保護(hù)需求。
引言
基于IGBT的大功率開關(guān)放大電路運(yùn)行時(shí)，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(shí)，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(jì)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(duì)前文提到的橋臂直通、過電流、過熱等三個(gè)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(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)必須是帶死區(qū)的方波信號(hào)，信號(hào)“死區(qū)”一旦消失，控制時(shí)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(shí)間必須是微秒級(jí)；雖然可以采用分立器件設(shè)計(jì)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(jì)中的易用性特點(diǎn)，編寫相應(yīng)的檢測電路代碼，對(duì)CPLD進(jìn)行編程，得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度檢測電路的核心處理單元，同時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的外部信號(hào)接口電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(huì)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(dòng)器等高速器件來設(shè)計(jì)“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(duì)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(bào)警，切斷IGBT的直流電源及其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入，設(shè)計(jì)適用的電路，從而達(dá)到對(duì)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(jì)
過流檢測
過流檢測電路設(shè)計(jì)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IGBT的直流電流值；采樣值經(jīng)取樣電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，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(jì)算或經(jīng)試驗(yàn)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(shí)，即過流信號(hào)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(dòng)作，輸出高電平，此電平信號(hào)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(hào)，此信號(hào)處于持續(xù)鎖定狀態(tài)，此電平信號(hào)(即過流輸出信號(hào)響應(yīng)動(dòng)作)輸出給IGBT的信號(hào)驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板立即閉鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)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
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驅(qū)動(dòng)信號(hào)檢測
基于IGBT功率放大電路的同一橋臂上的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)要留有“死區(qū)”時(shí)間，也就是不能同時(shí)為高電平，否則會(huì)造成開關(guān)電路的橋臂直通而短路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖過寬和過窄，以及無脈沖輸出，會(huì)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(dòng)信號(hào)時(shí)，可以運(yùn)用脈沖寬度檢測方法，選擇適當(dāng)?shù)念l率信號(hào)作為計(jì)數(shù)的時(shí)標(biāo)單位，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平持續(xù)進(jìn)行時(shí)標(biāo)信號(hào)計(jì)數(shù)，并且將計(jì)數(shù)的個(gè)數(shù)值轉(zhuǎn)換為時(shí)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(jì)數(shù)門限值，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)高電平或者低電平持續(xù)的最大計(jì)數(shù)值；對(duì)輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平或者低電平持續(xù)計(jì)數(shù)，將采樣得到的單位計(jì)數(shù)值與預(yù)置的門限計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較，如果計(jì)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(hào)，切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊的信號(hào)輸出，完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平脈沖寬度檢測；同時(shí)，模塊將驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)的低電平的脈沖寬度檢測。
圖2：脈沖寬度檢測邏輯圖
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(shí)，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(jì)出溫度檢測電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的結(jié)溫檢測，從而達(dá)到保護(hù)目的。
設(shè)計(jì)過熱保護(hù)電路時(shí)，首先選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟戎担鳛橥獠靠刂葡到y(tǒng)的報(bào)警與保護(hù)動(dòng)作門限值，電路設(shè)計(jì)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(bào)警溫度臨界點(diǎn)，保護(hù)電路能夠及時(shí)采樣溫度信號(hào)，并使得過熱保護(hù)電路響應(yīng)輸出。
另外，對(duì)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(shí)檢測功放單元工作時(shí)冷卻水的流量，監(jiān)測流量是否超過IGBT工作時(shí)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(hào)。
以上兩種過熱檢測電路在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，過熱報(bào)警觸發(fā)輸出的信號(hào)與直流電源開關(guān)的IGBT的驅(qū)動(dòng)板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生邏輯關(guān)聯(lián)，閉鎖IGBT驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(yàn)
針對(duì)前文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖寬度檢測電路，通過仿真進(jìn)行功能驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖3所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(signal)脈沖過窄時(shí)，檢測模塊輸出高電平(signal_error)信號(hào)，意味著驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電平信號(hào)脈寬小于預(yù)先設(shè)定的脈寬門限值上限，輸出高電平報(bào)警?！ ?br />
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)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(dòng)作后的實(shí)驗(yàn)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(hào)被保護(hù)電路檢測，IGBT驅(qū)動(dòng)板封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，IGBT被關(guān)閉，通過IGBT功率放大電路的電壓和電流在極短時(shí)間內(nèi)降為零值，IGBT得到了保護(hù)。
結(jié)語
本文介紹了基于IGBT功率放大器的三種保護(hù)方式：一個(gè)IGBT直流供電過流檢測電路，一個(gè)基于CPLD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖寬度檢測邏輯電路，一個(gè)針對(duì)IGBT結(jié)溫設(shè)計(jì)檢測的電路；并且對(duì)設(shè)計(jì)保護(hù)電路進(jìn)行了舉例仿真和實(shí)驗(yàn)舉例，驗(yàn)證了保護(hù)電路的功能。
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