大功率弧焊逆变电源的IGBT保护技术

　　1　引 言
　　弧焊逆变电源广泛应用于造船、机械、汽车、电力、化工、石油、轻工业、航天、国防工业等部门。近年来大功率电力电子器件IGBT以其独特的优点受到众多厂家的青睐，并逐步应用于现代弧焊逆变电源中。然而弧焊逆变电源工作环境恶劣，其负载决定了其工作电流变化剧烈，如果我们对IGBT性能和特点存在模糊认识并且在控制方法和保护技术等方面未采取有效的措施，则很有可能会损坏IGBT，从而使人们开始怀疑IGBT的质量是否真正符合资料上所列出的各项参数。本文针对以上问题介绍了一种应用电路硬件保护和单片机控制程序保护相结合的方法来对IGBT进行有效的保护。
　　2．IGBT 的工作原理
　　2.1　IGBT结构
　　IGBT结构上与MOSFET十分相似，只是多了一个
　　层，引出作为发射极，栅极、集电极与MOSFET完全相似。其简化等效电路如图1所示。

　　

　　图1

　　IGBT的工作原理：IGBT由栅极电压正负来控制。当加上正栅极电压时，绝缘栅下形成沟道，MOSFET导通，相当于
　　接到E，为PNP晶体管提供了流动的基极电流，从而使PNP管（即整个IGBT）导通。当加上负栅极电压时，IGBT工作过程相反，形成关断。
　　2.2　IGBT安全工作区
　　在IGBT开关过程中，大电流和大电压的重叠造成主要的功耗，同时承受较高的di/dt和dv/dt即电流电压应力。特别是运行在PWM硬开关状态下，这是影响可靠性的重要原因。为了保证其安全可靠的工作，不仅有电流电压的限制，还必需使其动态过程的运行轨迹在安全工作区内。如图2所示，正偏安全工作区FBSOA是指栅极加正向电压时的安全工作区，对应于导通状态。三条边界分别对应允许电流、允许电压和允许功耗。随着导通时间增长，功耗和温升增加，安全工作区缩小。

　　

　　IGBT关断时为反向偏置，对应安全工作区为反偏安全工作区RBSOA。除了电流电压边界外，另一边界为器件关断后的重加电压上升率。因此，电压变化率越大，安全工作区越小。实际上，这就是因为IGBT动态擎住效应的限制的缘故。所以在弧焊逆变电源的设计中，限制过电流和过电压、改善器件的运行特性以及降低功耗，都有重要的意义。在不同的工作状态下，保证IGBT在安全工作范围内并处于较好状态下，是提高整机可靠性的关键技术。
　　3．IGBT的保护措施
　　由于其结构和安全工作区知IGBT的可靠与否主要由以下因素决定：
　　1、栅极与发射极电压
　　2、集电极与发射极电压
　　3、流过集电极的电流
　　4、IGBT的结温
　　以上的四个因素在工作环境恶劣的弧焊逆变电源中都是需要注意的，尤其是第二项和第三项是我们在设计保护电路中重点考虑的内容。
　　3.1　IGBT栅极的保护
　　IGBT的栅极－发射极驱动电压
　　的保证电压为
　　，因此在IGBT的驱动电路应当设置栅极压限幅电路；另外由于焊接电源设备工作环境非常恶劣，在运输或振动过程中可能会使栅极回路断开，这时如果电源设备开始工作，则随着集电极电位的变化，由于栅极与与集电极和发射极之间寄生电容的存在，使得栅极电位升高，集电极－发射极间有电流流过。这时若集电极和发射极处于高压状态时，会使IGBT发热，极易引起IGBT损坏。为防止此类情况发生，可在IGBT的栅极与发射极间并接一只 的电阻，此电阻应尽量靠近栅极与发身极。如图3所示。

　　

　　图3

　　3.2　集电极与发射极的过压保护
　　弧焊逆变电源进入焊接状态时，输出端即从空载转入接近短路状态，这时要求输出电流必须处于所需要的恒定状态。理论上，采用恒流闭环控制系统即可以控制电源的短路电流，但实际短路时，输出电压很低，即IGBT的工作脉宽很窄，才能保证输出电流恒定，这就造成了IGBT在很短的导通期间，吸收电容未分放电而马上关断，且因分布电感和漏感的影响，IGBT的关断是在承受较高的反压下进行的，极易使IGBT损坏，为了使IGBT 关断过电压能得到有效的抑制并减少关断损耗，需要给IGBT主电路设置关断缓冲吸收电路。IGBT的关断缓冲吸收电路分为充放电型和放电阻止型，从吸收过电压的能力上来说，充放电型效果较好，所以可在弧焊逆变电源中的IGBT过压保护缓冲电路可采用图4所示缓冲吸收电路：

　　

　　图4在此硬件电路的基础上，结合单片机的控制系统可检测输出电压低于某一设定值时，单片机便认为负载电弧是处于短路状态，这时单片机便对IGBT的最小脉冲宽度进行限制，以保证吸收电容有足够的放电时间，从而降低IGBT的关断反向电压。同时为保证输出电流恒定，单片机在判断输出为短路时将逆变器的等脉冲宽度调节（PWM）变为频率调节控制（PFM），即脉冲分频控制，输出电压越低，输出脉冲的频