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逆變電源的IGBT保護(hù)技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2009-07-15 來(lái)源:電源世界

中心議題:

  • IGBT 的工作原理
  • IGBT的保護(hù)措施
解決方案:
  • 在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置柵極壓限幅電路
  • 給IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路
  • 計(jì)保護(hù)電路為立即保護(hù)型
  • 在短路和過(guò)載時(shí)能切斷IGBT的輸入

弧焊逆變電源廣泛應(yīng)用于造船、機(jī)械、汽車、電力、化工、石油、輕工業(yè)、航天、國(guó)防工業(yè)等 部門。近年來(lái)大功率電力電子器件IGBT以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到眾多廠家的青睞,并逐步應(yīng)用于現(xiàn)代弧焊逆變電源中。然而弧焊逆變電源工作環(huán)境惡劣,其負(fù)載決定了其工作電流變化劇烈。

如果我們對(duì)IGBT性能和特點(diǎn)存在模糊認(rèn)識(shí)并且在控制方法和保護(hù)技術(shù)等方面未采取有效的措施,則很有可能會(huì)損壞IGBT,從而使人們開(kāi)始懷疑IGBT的質(zhì)量是否真正符合資料上所列出的各項(xiàng)參數(shù)。本文針對(duì)以上問(wèn)題介紹了一種應(yīng)用電路硬件保護(hù)和單片機(jī)控制程序保護(hù)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì) IGBT進(jìn)行有效的保護(hù)。

IGBT 的工作原理

1 IGBT結(jié)構(gòu)
IGBT結(jié)構(gòu)上與MOSFET十分相似,只是多了一個(gè) 層,引出作為發(fā)射極,柵極、集電極與MOSFET完全相似。其簡(jiǎn)化等效電路如圖1所示。
                                           
IGBT的工作原理:IGBT由柵極電壓正負(fù)來(lái)控制。當(dāng)加上正柵極電壓時(shí),絕緣柵下形成溝道,MOSFET導(dǎo)通,相當(dāng)于 接到E,為PNP晶體管提供了流動(dòng)的基極電流,從而使PNP管(即整個(gè)IGBT)導(dǎo)通。當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí),IGBT工作過(guò)程相反,形成關(guān)斷。

2 IGBT安全工作區(qū)

在IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中,大電流和大電壓的重疊造成主要的功耗,同時(shí)承受較高的di/dt和dv/dt即電流電壓應(yīng)力。特別是運(yùn)行在PWM硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下, 這是影響可靠性的重要原因。為了保證其安全可靠的工作,不僅有電流電壓的限制,還必需使其動(dòng)態(tài)過(guò)程的運(yùn)行軌跡在安全工作區(qū)內(nèi)。
                        
如圖2所示,正偏安全工作區(qū) FBSOA是指柵極加正向電壓時(shí)的安全工作區(qū),對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通狀態(tài)。三條邊界分別對(duì)應(yīng)允許電流、允許電壓和允許功耗。隨著導(dǎo)通時(shí)間增長(zhǎng),功耗和溫升增加,安全工作區(qū)縮小。

IGBT關(guān)斷時(shí)為反向偏置,對(duì)應(yīng)安全工作區(qū)為反偏安全工作區(qū)RBSOA。除了電流電壓邊界外,另一邊界為器件關(guān)斷后的重加電壓上升率。因此,電壓變化率越大,安全工作區(qū)越小。實(shí)際上就是因?yàn)镮GBT動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)的限制的緣故。

所以在弧焊逆變電源的設(shè)計(jì)中,限制過(guò)電流和過(guò)電壓、改善器件的運(yùn)行特性以及降低功耗,都有重要的意義。在不同的工作狀態(tài)下,保證IGBT在安全工作范圍內(nèi)并處于較好狀態(tài)下,是提高整機(jī)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。
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IGBT的保護(hù)措施
  
由于其結(jié)構(gòu)和安全工作區(qū)知IGBT的可靠與否主要由以下因素決定:
  1、柵極與發(fā)射極電壓
  2、集電極與發(fā)射極電壓
  3、流過(guò)集電極的電流
  4、IGBT的結(jié)溫
  
以上的四個(gè)因素在工作環(huán)境惡劣的弧焊逆變電源中都是需要注意的,尤其是第二項(xiàng)和第三項(xiàng)是我們?cè)谠O(shè)計(jì)保護(hù)電路中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

1 IGBT柵極的保護(hù)
IGBT的柵極-發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓 的保證電壓為+/-20V ,因此在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵極壓限幅電路;另外由于焊接電源設(shè)備工作環(huán)境非常惡劣,在運(yùn)輸或振動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)使柵極回路斷開(kāi),這時(shí)如果電源設(shè)備開(kāi)始工作,則隨著集電極電位的變化,由于柵極與與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在,使得柵極電位升高,集電極-發(fā)射極間有電流流過(guò)。

這時(shí)若集電極和發(fā)射極處于高壓狀態(tài)時(shí),會(huì)使IGBT發(fā)熱,極易引起IGBT損壞。為防止此類情況發(fā)生,可在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只50~100歐姆的電阻,此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)身極。如圖3所示。
                              

2 集電極與發(fā)射極的過(guò)壓保護(hù)
  
弧焊逆變電源進(jìn)入焊接狀態(tài)時(shí),輸出端即從空載轉(zhuǎn)入接近短路狀態(tài),這時(shí)要求輸出電流必須處于所需要的恒定狀態(tài)。理論上,采用恒流閉環(huán)控制系統(tǒng)即可以控制電源的短路電流,但實(shí)際短路時(shí),輸出電壓很低,即IGBT的工作脈寬很窄,才能保證輸出電流恒定,這就造成了IGBT在很短的導(dǎo)通期間,吸收電容未分放電而馬上關(guān)斷,且因分布電感和漏感的影響,IGBT的關(guān)斷是在承受較高的反壓下進(jìn)行的,極易使IGBT損壞。

為了使IGBT關(guān)斷過(guò)電壓能得到有效的抑制并減少關(guān)斷損耗,需要給IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型,從吸收過(guò)電壓的能力上來(lái)說(shuō),充放電型效果較好,所以可在弧焊逆變電源中的IGBT過(guò)壓保護(hù)緩沖電路可采用圖4所示緩沖吸收電路:
                                    
在此硬件電路的基礎(chǔ)上,結(jié)合單片機(jī)的控制系統(tǒng)可檢測(cè)輸出電壓低于某一設(shè)定值時(shí),單片機(jī)便認(rèn)為負(fù)載電弧是處于短路狀態(tài),這時(shí)單片機(jī)便對(duì)IGBT的最小脈沖寬度進(jìn)行限制,以保證吸收電容有足夠的放電時(shí)間,從而降低IGBT的關(guān)斷反向電壓。

同時(shí)為保證輸出電流恒定,單片機(jī)在判斷輸出為短路時(shí)將逆變器的等脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)變?yōu)轭l率調(diào)節(jié)控制(PFM),即脈沖分頻控制,輸出電壓越低,輸出脈沖的頻率越低。其單片機(jī)程序過(guò)程如圖5所示:
                      
這與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單限流或直接關(guān)閉IGBT的控制方式有本質(zhì)的區(qū)別,它是利用單片機(jī)的智能性改變其工作方式來(lái)保護(hù)IGBT的安全,從而可靠的保證IGBT的安全。
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3 過(guò)流保護(hù)

過(guò)流對(duì)IGBT來(lái)說(shuō),是產(chǎn)生原因最復(fù)雜、發(fā)生次數(shù)最多、損壞概率最高的事件,也是國(guó)內(nèi)弧焊逆變電源容易損壞的主要原因。IGBT正常工作時(shí),導(dǎo)通期間的電流包括開(kāi)通時(shí)的尖峰、折算到原邊的焊接電流和關(guān)斷時(shí)的拖尾電流。

在設(shè)計(jì)IGBT的過(guò)流保護(hù)時(shí),主要可采取以下三條措施:首先選擇IGBT器件時(shí),使其最大工作電流只占IGBT 的30%左右,其目的就是要使IGBT的安全工作區(qū)盡可能在一些,以避免IGBT的擎住效應(yīng);其次針對(duì)元器件失效等偶發(fā)性故障,如輸出失控、IGBT損壞、功率變壓器擊穿、短路、高頻整流快恢復(fù)二極管損壞引起的過(guò)電流行為.

應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)電路為立即保護(hù)型。即保護(hù)電路動(dòng)作后,切斷供電電源,停止逆變電源工作;最后,對(duì)元器件并沒(méi)有失效,而是由于某種其它原因如負(fù)載突然加大造成的過(guò)流,可嘗試采用一種慢降柵壓的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)如圖6:





如果單片機(jī)在延時(shí)結(jié)束后,故障信號(hào)仍存在則由單片機(jī)切斷所有IGBT的輸入脈沖,設(shè)備停止工作,此時(shí)要通過(guò)手動(dòng)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。這種電路既能保護(hù)逆變電路和IGBT的安全,又不會(huì)在瞬時(shí)過(guò)流時(shí)中斷逆變電源工作所以是一種非常有效的保護(hù)方式。

4 過(guò)熱保護(hù)
  
在焊接工作時(shí)由于工作環(huán)境惡劣,流過(guò)IGBT電流很大,并且開(kāi)關(guān)頻率較高,所以器件的損耗也較大,如果熱量不能及時(shí)散掉,使結(jié)溫Tj超過(guò)Tmax ,則會(huì)引起IGBT的損壞,在熱設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮在短路和過(guò)載時(shí),IGBT也不能過(guò)熱而損壞。

適當(dāng)加大散熱系統(tǒng)是保護(hù)焊接電源正常工作的必要條件,但由于散熱系統(tǒng)不可能無(wú)限制擴(kuò)大,所以要在靠近IGBT處安裝一溫度繼電器來(lái)檢測(cè)IGBT的工作溫度。當(dāng)溫度超過(guò)所設(shè)定的最高溫度時(shí)切斷IGBT的輸入,保護(hù)其安全。

最后:本文介紹了利用硬件保護(hù)電路并結(jié)合單片機(jī)的程序?qū)『改孀冸娫粗蠭GBT進(jìn)行保護(hù)的方法和措施。該方法不僅從硬件電路上設(shè)計(jì)了可靠的保護(hù)電路,而且還利用單片機(jī)的程序來(lái)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行判斷后選擇工作方式來(lái)間接對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù).

這樣不僅保護(hù)了IGBT的安全還保證了該電源即使在惡劣的環(huán)境的中也能可靠穩(wěn)定的工作。所以在實(shí)際應(yīng)用中只要我們考慮到IGBT的不同容量、型號(hào)并參考以上方法采取相應(yīng)的保護(hù)措施就可以達(dá)到滿意的效果。
 

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