基於IGBT的大功率開關放大電路運行時會有功率大
、電壓高的需求，因此IGBT經常受到容性或感性負載的衝擊
，承受過負荷，器件的運行區超出所給定的安全工作區
，同時，由於IGBT的耐電應力衝擊能力差，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。

 

 

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)：在基於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”一旦消失
，控製時序出現紊亂，從而造成同一側橋臂直通，後果是IGBT器件損毀，而且控製“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CPLDjinxingbiancheng
，dedaoqudongxinhaodemaichongkuandujiancedianludehexinchulidanyuan，tongshi，shejixiangyingdewaibuxinhaojiekoudianlu，congershixianduiqudongxinhaodemaichongkuandude“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製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製，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，從而達到對基於IGBT的功率開關電路的保護目的。

 

 

 

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並輸出通過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
，並送至比較器輸入端
，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矽Q1的導通，則與可控矽的陰極串聯的電阻R2節點處將輸出電平信號，此信號處於持續鎖定狀態，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。

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，則可以通過外部控製將開關S閉合，可控矽複位，將IGBT驅動器的驅動信號輸出鎖定電平信號撤銷。
、

 

基於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”shijian，yejiushibunengtongshiweigaodianping，fouzehuizaochengkaiguandianludeqiaobizhitongerduanlu，qudongxinhaodemaichongguokuanheguozhai，yijiwumaichongshuchu，huiyanzhongyingxianggonglvfangdadianludewendingyunxing。danggonglvkaiguanfangdadianlushiyonggudingqudongxinhaoshi
，keyiyunyongmaichongkuandujiancefangfa，xuanzeshidangdepinlvxinhaozuoweijishudeshibiaodanwei，duiqudongxinhaodegaodianpingchixujinxingshibiaoxinhaojishu
，bingqiejiangjishudegeshuzhizhuanhuanweishijian，jidedaomaichongkuanduzhi。

 

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dui輸shu入ru的de驅qu動dong信xin號hao的de高gao電dian平ping或huo者zhe低di電dian平ping持chi續xu計ji數shu
，將jiang采cai樣yang得de到dao的de單dan位wei計ji數shu值zhi與yu預yu置zhi的de門men限xian計ji數shu值zhi進jin行xing比bi較jiao，如ru果guo計ji數shu值zhi小xiao於yu或huo者zhe大da於yu預yu先xian設she置zhi的de值zhi
，則ze檢jian測ce模mo塊kuai輸shu出chu閉bi鎖suo信xin號hao，切qie斷duan驅qu動dong信xin號hao輸shu出chu模mo塊kuai的de信xin號hao輸shu出chu，完wan成cheng驅qu動dong信xin號hao的de高gao電dian平ping脈mai衝chong寬kuan度du檢jian測ce
；同時，模塊將驅動信號進行反相邏輯轉換，然後再檢測轉換後形成的高電平脈衝寬度
，這樣
，實現驅動信號的低電平的脈衝寬度檢測。

圖2 脈衝寬度檢測邏輯圖

 

驅動信號檢測模塊包含三個模塊：計數，鎖存和控製
，如圖2所suo示shi。其qi中zhong，計ji數shu模mo塊kuai統tong計ji驅qu動dong信xin號hao的de高gao電dian平ping的de時shi標biao頻pin率lv信xin號hao個ge數shu，並bing輸shu出chu鎖suo存cun清qing零ling信xin號hao，鎖suo存cun模mo塊kuai將jiang數shu據ju鎖suo存cun，控kong製zhi模mo塊kuai判pan斷duan驅qu動dong信xin號hao高gao電dian平ping內nei的de時shi標biao頻pin率lv信xin號hao的de個ge數shu是shi否fou超chao過guo預yu置zhi門men限xian值zhi。

 

IGBT的損耗功率隨著開關頻率的增高而增大，大功率運行時，損耗功率易急劇增加發熱
，由於IGBT的結溫不超過125℃
，基於IGBT的功率開關電路不能長期工作在結溫點上限，否則
，IGBT將過熱損毀
，因此，設計出溫度檢測電路
，實現對IGBT的de結jie溫wen檢jian測ce，從cong而er達da到dao保bao護hu目mu的de。設she計ji過guo熱re保bao護hu電dian路lu時shi
，首shou先xian選xuan擇ze一yi個ge適shi當dang的de工gong作zuo溫wen度du值zhi，作zuo為wei外wai部bu控kong製zhi係xi統tong的de報bao警jing與yu保bao護hu動dong作zuo門men限xian值zhi，電dian路lu設she計ji可ke以yi采cai用yong類lei似si過guo流liu檢jian測ce電dian路lu的de模mo式shi，適shi用yong比bi較jiao電dian路lu實shi現xian；再者，選用表麵貼裝式溫度測量模塊安裝在IGBT模塊的散熱器表麵，溫度傳感器監測輸出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，並使得過熱保護電路響應輸出。

 

另外，對於采用水循環散熱的IGBT功率放大電路
，設置冷卻水流量監測，實時檢測功放單元工作時冷卻水的流量，監測流量是否超過IGBT工作時適宜的溫度值需要的流量限定值；當冷卻水的流量低於設定下限，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，過熱報警觸發輸出的信號與直流電源開關的IGBT的驅動板的驅動信號產生邏輯關聯，閉鎖IGBT驅動器的驅動信號輸出
，進而切斷功率放大器的IGBT直流電源的供電，從而保護功率開關電路的IGBT器件。

 

針對前文設計的驅動信號脈衝寬度檢測電路
，通過仿真進行功能驗證，仿真結果如圖3所示，當驅動信號(signal)脈衝過窄時，檢測模塊輸出高電平(signal_error)信號，意味著驅動信號的高電平信號脈寬小於預先設定的脈寬門限值上限，輸出高電平報警。

 

 

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舉例過流保護動作後的實驗波形，圖中曲線分別為功率放大器輸出電壓波形
、輸出電流波形。觀察分析曲線的結果
，得出結論：當IGBT在不同工作參數運行期間，一旦發生過流信號被保護電路檢測
，IGBT驅動板封鎖驅動信號輸出
，IGBT被關閉
，通過IGBT功率放大電路的電壓和電流在極短時間內降為零值，IGBT得到了保護。