IGBT功率放大电路保护方法的应用

摘要：本文针对IGBT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，验证保护电路的效果。

引言

基于IGBT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IGBT的耐电应力冲击能力差，易导致器件损毁。

因此，设计出IGBT功率放大电路的保护电路，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”保护电路，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。　　

驱动信号检测模块包含三个模块：计数，锁存和控制，如图2所示。其中，计数模块统计驱动信号的高电平的时标频率信号个数，并输出锁存清零信号，锁存模块将数据锁存，控制模块判断驱动信号高电平内的时标频率信号的个数是否超过预置门限值。

过热检测

IGBT的损耗功率随着开关频率的增高而增大，大功率运行时，损耗功率易急剧增加发热，由于IGBT的结温不超过125℃，基于IGBT的功率开关电路不能长期工作在结温点上限，否则，IGBT将过热损毁，因此，设计出温度检测电路，实现对IGBT的结温检测，从而达到保护目的。

设计过热保护电路时，首先选择一个适当的工作温度值，作为外部控制系统的报警与保护动作门限值，电路设计可以采用类似过流检测电路的模式，适用比较电路实现;再者，选用表面贴装式温度测量模块安装在IGBT模块的散热器表面，温度传感器监测输出IGBT的工作温度。

这样，当温度超过预设的报警温度临界点，保护电路能够及时采样温度信号，并使得过热保护电路响应输出。

另外，对于采用水循环散热的IGBT功率放大电路，设置冷却水流量监测，实时检测功放单元工作时冷却水的流量，监测流量是否超过IGBT工作时适宜的温度值需要的流量限定值;当冷却水的流量低于设定下限，过热检测电路输出过热保护信号。

以上两种过热检测电路在实际运行时，过热报警触发输出的信号与直流电源开关的IGBT的驱动板的驱动信号产生逻辑关联，闭锁IGBT驱动器的驱动信号输出，进而切断功率放大器的IGBT直流电源的供电，从而保护功率开关电路的IGBT器件。

仿真与实验

针对前文设计的驱动信号脉冲宽度检测电路，通过仿真进行功能验证，仿真结果如图3所示，当驱动信号(signal)脉冲过窄时，检测模块输出高电平(signal_error)信号，意味着驱动信号的高电平信号脉宽小于预先设定的脉宽门限值上限，输出高电平报警。　　

实验验证

为了进一步验证本文所设计的保护电路的有效性，在IGBT功率放大器上进行了实际测试。图4与图5举例过流保护动作后的实验波形，图中曲线分别为功率放大器输出电压波形、输出电流波形。

观察分析曲线的结果，得出结论：当IGBT在不同工作参数运行期间，一旦发生过流信号被保护电路检测，IGBT驱动板封锁驱动信号输出，IGBT被关闭，通过IGBT功率放大电路的电压和电流在极短时间内降为零值，IGBT得到保护。

结语

本文介绍了基于IGBT功率放大器的三种保护方式：一个IGBT直流供电过流检测电路，一个基于CPLD的驱动信号脉冲宽度检测逻辑电路，一个针对IGBT结温设计检测的电路;并且对设计保护电路进行了举例仿真和实验举例，验证了保护电路的功能。

参考文献：
　　[1] 杨燕波,吴庆彪.逆变器脉宽调制中基于脉冲的死区补偿方法[J].电力电子技术,2009,(3)
　　[2] 王衡,沈运先,查明,边钢.基于CPLD的固态功率放大器的保护电路设计[J].舰船电子工程,2012,(4)
　　[3] 李纵,罗志清,袁汉祖.基于1SD1548A1的IGBT驱动器设计[J].舰船电子工程, 2012,(4)
　　[4] 常晓明, 李媛媛.Verilog-HDL工程实践入门[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005
　　[5] 查明.基于CPLD的大功率发射机激励信号检测电路设计[J].舰船科学技术,2008,30,(S1):101-104
　　[6] 潘星,刘会金. IGBT功率器件工作中存在的问题及解决方法[J].电力自动化设备,2004,(2):9-14
　　[7] 钱金川,朱守敏.电力电子器件IGBT的应用与保护[J].电焊机,2008,38,(3):41- 47
　　[8] 陈怀义,胡卫华,王彦.IGBT的保护[J].电源技术应用,2004,(5)
　　[9] 张加胜,平朝春.基于单片机死区时间调制的PWM控制方法研究[J].电力电子技术,2008,(2)
　　[10] 杨斌文,胡浩,张健.IGBT的保护设计[J].电气开关, 2006,(6)