【導讀】本文介紹了基于IGBT功率放大器的三種保護方式：一個IGBT直流供電過流檢測電路，一個基于CPLD的驅(qū)動信號脈沖寬度檢測邏輯電路，一個針對IGBT結(jié)溫設計檢測的電路;并且對設計保護電路進行了舉例仿真和實驗舉例，驗證了保護電路的功能。
基于IGBT的大功率開關(guān)放大電路運行時會有功率大、電壓高的需求，因此IGBT經(jīng)常受到容性或感性負載的沖擊，承受過負荷，器件的運行區(qū)超出所給定的安全工作區(qū)，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。
不同形式的電路保護
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(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(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(qū)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(xiàn)對驅(qū)動信號的脈沖寬度的“死區(qū)”檢測。
過流保護：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(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。
過熱保護：對IGBT的結(jié)溫進行監(jiān)測，當結(jié)溫超過設定值，輸出報警，切斷IGBT的直流電源及其驅(qū)動信號的輸入，設計適用的電路，從而達到對基于IGBT的功率開關(guān)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(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)整和設定(實際工程中，設定的值可以通過預先計算或經(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(fā)可控硅Q1的導通，則與可控硅的陰極串聯(lián)的電阻R2節(jié)點處將輸出電平信號，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。
圖1 過流檢測電路原理
另外，當過流保護電路輸出過流信號時，LED導通發(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，可控硅復位，將IGBT驅(qū)動器的驅(qū)動信號輸出鎖定電平信號撤銷。、
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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，會嚴重影響功率放大電路的穩(wěn)定運行。當功率開關(guān)放大電路使用固定驅(qū)動信號時，可以運用脈沖寬度檢測方法，選擇適當?shù)念l率信號作為計數(shù)的時標單位，對驅(qū)動信號的高電平持續(xù)進行時標信號計數(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。
電路實現(xiàn)：在CPLD中設置預先設定的計數(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)值與預置的門限計數(shù)值進行比較，如果計數(shù)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(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)的時標頻率信號的個數(shù)是否超過預置門限值。
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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)溫點上限，否則，IGBT將過熱損毀，因此，設計出溫度檢測電路，實現(xiàn)對IGBT的結(jié)溫檢測，從而達到保護目的。設計過熱保護電路時，首先選擇一個適當?shù)墓ぷ鳒囟戎?，作為外部控制系統(tǒng)的報警與保護動作門限值，電路設計可以采用類似過流檢測電路的模式，適用比較電路實現(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，當溫度超過預設的報警溫度臨界點，保護電路能夠及時采樣溫度信號，并使得過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(jiān)測，實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；當冷卻水的流量低于設定下限，過熱檢測電路輸出過熱保護信號。
以上兩種過熱檢測電路在實際運行時，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，進而切斷功率放大器的IGBT直流電源的供電，從而保護功率開關(guān)電路的IGBT器件。
仿真與實驗
針對前文設計的驅(qū)動信號脈沖寬度檢測電路，通過仿真進行功能驗證，仿真結(jié)果如圖3所示，當驅(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先設定的脈寬門限值上限，輸出高電平報警。
實驗驗證
為了進一步驗證本文所設計的保護電路的有效性，在IGBT功率放大器上進行了實際測試。圖4與圖5舉例過流保護動作后的實驗波形，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IGBT在不同工作參數(shù)運行期間，一旦發(fā)生過流信號被保護電路檢測，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在極短時間內(nèi)降為零值，IGBT得到了保護。
