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。　　

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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。　　

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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