保护电子电路设计图集锦TOP4
上述用改变二极管的个数来调整过流保护动作点的方法,虽然简单实用,但精度不高。这是因为每个二极管的通态压降为固定值,使得驱动模块与IGBT集电极c之间的电压不能连续可调。在实际工作中,改进方法有两种:(1)改变二极管的型号与个数相结合。例如,IGBT的通态饱和压降为2.65V,驱动模块过流保护临界动作电压值为 7.84V时,那么整个二极管上的通态压降之和应为7.84-2.65=5.19V,此时选用7个硅二极管与1个锗二极管串联,其通态压降之和为 0.7&TImes;7+0.3&TImes;1=5.20V(硅管视为0.7V,锗管视为0.3V),则能较好地实现配合(2)二极管与电阻相结合。由于二极管通态压降的差异性,上述改进方法很难精确设定IGBT过流保护的临界动作电压值如果用电阻取代1~2个二极管,如图2(b),则可做到精确配合。
TOP4 过压/过热保护电路设计
另外,由于同一桥臂上的两个IGBT的控制信号重叠或开关器件本身延时过长等原因,使上下两个IGBT直通,桥臂短路,此时电流的上升率和浪涌冲击电流都很大,极易损坏IGBT 为此,还可以设置桥臂互锁保护,如图3所示。图中用两个与门对同一桥臂上的两个IGBT的驱动信号进行互锁,使每个IGBT的工作状态都互为另一个 IGBT驱动信号可否通过的制约条件,只有在一个IGBT被确认关断后,另一个IGBT才能导通,这样严格防止了臂桥短路引起过流情况的出现。
图3 IGBT桥臂直通短路保护
过压保护
IGBT在由导通状态关断时,电流Ic突然变小,由于电路中的杂散电感与负载电感的作用,将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压 uce=L dic/dt,加之IGBT的耐过压能力较差,这样就会使IGBT击穿,因此,其过压保护也是十分重要的。过压保护可以从以下几个方面进行:
(1)尽可能减少电路中的杂散电感。作为模块设计制造者来说,要优化模块内部结构(如采用分层电路、缩小有效回路面积等),减少寄生电感; 作为使用者来说,要优化主电路结构(采用分层布线、尽量缩短联接线等),减少杂散电感。另外,在整个线路上多加一些低阻低感的退耦电容,进一步减少线路电感。所有这些,对于直接减少IGBT的关断过电压均有较好的效果。(2)采用吸收回路。吸收回路的作用是;当IGBT关断时,吸收电感中释放的能量,以降低关断过电压。常用的吸收回路有两种,如图4所示。其中(a)图为充放电吸收回路,(b)图为钳位式吸收回路。对于电路中元件的选用,在实际工作中,电容c选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容,也可选用陶瓷电容,容量为2 F左右。电容量选得大一些,对浪涌尖峰电压的抑制好一些,但过大会受到放电时间的限制。电阻R选用氧化膜无感电阻,其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求,可按R≤T/6C计算,T为主电路的开关周期。二极管V应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。
(3)适当增大栅极电阻Rg。实践证明,Rg增大,使IGBT的开关速度减慢,能明显减少开关过电压尖峰,但相应的增加了开关损耗,使 IGBT发热增多,要配合进行过热保护。Rg阻值的选择原则是:在开关损耗不太大的情况下,尽可能选用较大的电阻,实际工作中按Rg=3000/Ic 选取。
图4 吸收回路
除了上述减少c、e之间的过电压之外,为防止栅极电荷积累、栅源电压出现尖峰损坏 IGBT,可在g、e之间设置一些保护元件,电路如图5所示。电阻R的作用是使栅极积累电荷泄放,其阻值可取4.7kΩ;两个反向串联的稳压二极管V1、 V2。是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。
图5 防栅极电荷积累与栅源电压尖峰的保护
过热保护
IGBT 的损耗功率主要包括开关损耗和导通损耗,前者随开关频率的增高而增大,占整个损耗的主要部分;后者是IGBT控制的平均电流与电源电压的乘积。由于 IGBT是大功率半导体器件,损耗功率使其发热较多(尤其是Rg选择偏大时),加之IGBT的结温不能超过125℃,不宜长期工作在较高温度下,因此要采取恰当的散热措施进行过热保护。
编辑点评:在实际工作中,采用普通散热器与强迫风冷相结合的措施,并在散热器上安装温度开关。当温度达到75℃~80℃时,通过 SG3525的关闭信号停止PMW 发送控制信号,从而使驱动器封锁IGBT的开关输出,并予以关断保护。过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻,监视它的电压降,当电压降超过设定值时就停止放电,在电路中一般还加有延时电路,以区分浪涌电流和短路电流。本文介绍了各种保护电路,供读者品读。
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