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IGBT功率放大电路保护方法的应用

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作者:边钢 王衡 胡金喜 李嵬时间:2013-06-26来源:电子产品世界

  摘要:本文针对功率放大电路的保护问题,探讨了过流检测电路、驱动信号脉宽检测及过热保护的实现方法,通过仿真与试验,验证的效果。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/146840.htm

  引言

  基于的大功率开关放大电路运行时,功率大、电压高,经常受到容性或感性负载的冲击,承受过负荷,器件的运行区超出所给定的安全工作区,同时,由于的耐电应力冲击能力差,易导致器件损毁。

  因此,设计出IGBT功率放大电路的,解决IGBT潜在的桥臂直通、过电流、过热等故障因素,是非常有必要的。

  概述

  针对前文提到的桥臂直通、过电流、过热等三个问题,本文提出不同形式的电路,满足IGBT器件的保护需求。

  驱动信号检测(防止桥臂直通):在基于IGBT的功率开关放大电路中,驱动信号必须是带死区的方波信号,信号“死区[1]”一旦消失,控制时序出现紊乱,从而造成同一侧桥臂直通,后果是IGBT器件损毁,而且控制“死区”的响应时间必须是微秒级;虽然可以采用分立器件设计检测电路,但调试比较繁琐;本文选择CPLD作为逻辑电路的载体,发挥其在逻辑电路设计中的易用性特点,编写相应的检测电路代码,对CPLD进行编程,得到驱动信号的脉冲宽度检测电路的核心处理单元,同时,设计相应的外部信号接口电路,从而实现对驱动信号的脉冲宽度的“死区”检测;

  过流保护:IGBT功率开关电路的过电流会造成IGBT非正常退出饱和区,从而造成IGBT的损坏;采用霍尔传感器,比较器、驱动器等高速器件来设计“过流”,使过流保护电路能够控制作为直流电源开关的IGBT,从而使得直流电源能够接受保护电路的分闸与合闸控制,是一种可行的方法。

  过热保护:对IGBT的结温进行监测,当结温超过设定值,输出报警,切断IGBT的直流电源及其驱动信号的输入,设计适用的电路,从而达到对基于IGBT的功率开关电路的保护目的。

  保护电路的设计

  过流检测

  过流检测电路设计原理图如图1所示,在功率放大电路的IGBT的供电主回路中,串行安装电流互感器,电流互感器实时采样并输出通过IGBT的直流电流值;采样值经取样电阻,将电流信号转换为电压信号,并送至比较器输入端,比较器的门限电压通过电位器RP来调整和设定(实际工程中,设定的值可以通过预先计算或经试验得到);这样,取样电阻上的电压和门限电压通过比较器比较;当检测到直流电源“过流”时,即过流信号在取样电阻RM两端电压产生超过预先设置门限电压上限值,电压比较器响应动作,输出高电平,此电平信号触发可控硅Q1的导通,则与可控硅的阴极串联的电阻R2节点处将输出电平信号,此信号处于持续锁定状态,此电平信号(即过流输出信号响应动作)输出给IGBT的信号驱动板,驱动板立即闭锁驱动信号输出,这样IGBT被断开,提供给功率放大电路的直流电源被切断,IGBT器件得到保护。  

 

  另外,当过流保护电路输出过流信号时,LED导通发光,指示过流信号检出;待确定IGBT功率放大电路的过流状态消失,则可以通过外部控制将开关S闭合,即将可控硅复位,将IGBT驱动器的驱动信号输出锁定电平信号撤销。

  驱动信号检测

  基于IGBT功率放大电路的同一桥臂上的两路驱动信号要留有“死区”时间,也就是不能同时为高电平,否则会造成开关电路的桥臂直通而短路,驱动信号的脉冲过宽和过窄,以及无脉冲输出,会严重影响功率放大电路的稳定运行。

  当功率开关放大电路使用固定驱动信号时,可以运用脉冲宽度检测方法,选择适当的频率信号作为计数的时标单位,对驱动信号的高电平持续进行时标信号计数,并且将计数的个数值转换为时间,即得到脉冲宽度值。

  电路实现:在CPLD中设置预先设定的计数门限值,即驱动信号高电平或者低电平持续的最大计数值;对输入的驱动信号的高电平或者低电平持续计数,将采样得到的单位计数值与预置的门限计数值进行比较,如果计数值小于或者大于预先设置的值,则检测模块输出闭锁信号,切断驱动信号输出模块的信号输出,完成驱动信号的高电平脉冲宽度检测;同时,模块将驱动信号进行反相逻辑转换,然后再检测转换后形成的高电平脉冲宽度,这样,实现驱动信号的低电平的脉冲宽度检测。  

 

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关键词: IGBT 保护电路 201307

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