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正负脉冲电源用双重保护电路的研究

  摘 要:针对正负脉冲电源中对IGBT保护的要求,提出并分析了一种廉价而简洁的、适用于各种保护电路的控制电路,给出了设计时需要注意的问题。该控制电 路对于实际操作中可能遇到的过载、瞬时过流、短路等现象能进行很好的监测和控制。

    关键词:正负脉冲电源;控制电路;瞬时过流;短路;采样电流 

    在材料保护领域,等离子体表面处理、阳极氧化、微弧氧化、脉冲电镀等新技术正在国内兴起。工业生产需要的特种电源以大功率正负脉冲电源为先进的一种。电源 的研制过程中,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)始终是功率开关器件的首选。他集MOSFET的输入阻抗高、驱动容易、开关速度快、无二次击穿和GTR的通 态压降低、高压大电流化容易等优点于一体,是目前脉冲电源中的主要功率开关器件。IGBT的可靠工作是脉冲电源可靠工作的基础,在对IGBT的保护中,过 流保护是关键技术之一,脉冲电源能否稳定、可靠地工作,很大程度上取决于过流检测保护电路设计的优劣。

    1 典型控制方案

    1.1 IGBT的失效机理

  IGBT在短路和过流时,如不迅速加以保护就会导致器 件失效,其主要原因有:超过热极限、发生擎住效应、器件过压击穿等。

  (1)超过热极限 器件短路时的功耗将导致器件芯片温度 迅速上升。若温度超过250℃,由于芯片材料硅的本征化将会导致IGBT迅速热击穿而损坏。
    (2)发生擎住效应 IGBT结构上存在寄生晶闸管,在极大的短路电流下关断IGBT时极易发生动态擎住导致器件损坏。
(3)器件过压击穿  大电流下关断IGBT时极大的dI/dt在回路电路中产生的关断电压尖峰有可能使IGBT因雪崩击穿而损坏。

    1.2 IGBT的特性曲线

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  图1是IGBT短路时的输出特性。他说明IGBT的短 路电流Isc随电源电压VCC增加而增加,同时也随栅极驱动电压VGE增加而增加,因此栅极驱动电压VGE的幅值不宜过大。

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   图2是IGBT的允许短路时间tSC,短路电流Isc与栅极驱动电压的关系,由图2可知,当IGBT短路时,及时减小VGE可以使ISC减小和延长。 

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  图3是IGBT的饱和导通压降VCES和集电极电流 Ic的关系。该图表明,VCES和Ic近似成线性关系,因此,可以通过检测集电极电位来判断IGBT是否过流。

    1.3 常用检测电路

  根据以上IGBT的3个特性曲线,利用通过检测集电极 饱和压降来判断IGBT是否过流这一原理,可以派生出很多检测电路,文献[1~3]中均有介绍。其中较为常见的电路如图4所示[1]。


  此电路由一比较器实现。图4中D为高反压快速恢复二极管,电位器W用于调整V+。当管子正常导通不过流 时,Vce+Vd(Vd为二极管D的正向导通压降)低于V+,比较器输出高电平;当发生过流时,Ic急剧增加,使Vce上升很多,有Vce+Vd高于 V+,比较器输出低电平,通过光耦产生过流保护信号(低电平有效)。

  虽然通 过检测其集电极电压来判断IGBT工作电流是否过大的方法最直接,但在电路设计时遇到2个问题:

  (1)IGBT通态时,Vce只有几伏电压,IGBT关断时,Vce却有几百伏电压,相差如此大的检测信号怎样协调统 一。因检测电路直接与控制电路相连,所以不希望有强电信号进入,以免干扰和冲击控制电路。
(2)由于IGBT管在快速大电流能断状态下工作, 要求检测电路输入阻抗高,输入电容小。鉴于以上两点,选择舍弃通过检测集电极电压来判断IGBT工作电流是否过大的方法,而考虑在主回路上直接进行检测。

    2 双重保护控制电路

    2.1 主电路原理图

    主电路为载波电路,如图5所示。

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  图5中I1,I2为采样电流,V1,V2为采样电压。I1,V1分别为正向电流和正向电压;I2,V2分别为反向电 流和反向电压。

    2.2 控制系统原理图控制电路如图6所示。

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  图6中LM358为反向放大器,LM324为比较器,PT为保护电路的控制信号(高电平有效)。这里,比较器选择的 依据是:由图2中IGBT的驱动栅压VGE与Isc和允许过流时间tsc的关系知,当VGE=15 V时,该器件承受250 A的过流冲击时间仅为5μs。如果在过流开始时,将栅压降低到10 V,则承受过流的时间可延长到15μs,并且过流幅值也由原来的250 A下降到100 A。当然,由于VGE的降低,将导致IGBT导通压降升高,这将使管子的瞬时热损耗急剧增大。为了防止热损坏,这个时间应足够短,不允许因此而引起热损 坏。事实上,过流保护电路的整个响应时间通常小于10μs。因此,选用廉价的LM324基本可以满足设计要求,他的具体指标如下:单电源供电,工作电压 3~ 30 V,输入失调电压低于5 mV,输入到输出传输时延5μs,100 dB带宽大于1 MHz。

    2.3 实现功能

    这里以反向采样电流I2这一支路为例进行说明。 

    采样电流I2经LM358反向放大后在1脚输出,这里分别记LM358的管脚1,2,3,5,6的电压为V1,V2,V3,V5,V6,从图中显然有 V1=V2=V6。这里V3为瞬时过流保护控制点,V5为持续过流保护控制点。

   当V2<V3时,即没有过流信号出现,此时比较器1脚,7脚输出高电平,D1,D2截止,控制电路不工作。  

    当V3<V2<V5时,即有瞬时过流信号出现,比较器1脚输出低电平,7脚仍是高电平,D1导通,D2截止,即只有第一级比较起作用,此时,Q1,Q5导 通,LED发光,PT为高电平,启动保护电路。在这种情况下,主回路每瞬时过流一次,LED便亮一下,而后熄灭。也就是说,当过流信号介于比较点V3和 V5之间时,可以实现过流一次保护一次的功能。


  此电路由一比较器实现。图4中D为高反压快速恢复二极管,电位器W用于调整V+。当管子正常导通不过流 时,Vce+Vd(Vd为二极管D的正向导通压降)低于V+,比较器输出高电平;当发生过流时,Ic急剧增加,使Vce上升很多,有Vce+Vd高于 V+,比较器输出低电平,通过光耦产生过流保护信号(低电平有效)。

  虽然通 过检测其集电极电压来判断IGBT工作电流是否过大的方法最直接,但在电路设计时遇到2个问题:

  (1)IGBT通态时,Vce只有几伏电压,IGBT关断时,Vce却有几百伏电压,相差如此大的检测信号怎样协调统 一。因检测电路直接与控制电路相连,所以不希望有强电信号进入,以免干扰和冲击控制电路。
(2)由于IGBT管在快速大电流能断状态下工作, 要求检测电路输入阻抗高,输入电容小。鉴于以上两点,选择舍弃通过检测集电极电压来判断IGBT工作电流是否过大的方法,而考虑在主回路上直接进行检测。

    2 双重保护控制电路

    2.1 主电路原理图

    主电路为载波电路,如图5所示。

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  图5中I1,I2为采样电流,V1,V2为采样电压。I1,V1分别为正向电流和正向电压;I2,V2分别为反向电 流和反向电压。

    2.2 控制系统原理图控制电路如图6所示。

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  图6中LM358为反向放大器,LM324为比较器,PT为保护电路的控制信号(高电平有效)。这里,比较器选择的 依据是:由图2中IGBT的驱动栅压VGE与Isc和允许过流时间tsc的关系知,当VGE=15 V时,该器件承受250 A的过流冲击时间仅为5μs。如果在过流开始时,将栅压降低到10 V,则承受过流的时间可延长到15μs,并且过流幅值也由原来的250 A下降到100 A。当然,由于VGE的降低,将导致IGBT导通压降升高,这将使管子的瞬时热损耗急剧增大。为了防止热损坏,这个时间应足够短,不允许因此而引起热损 坏。事实上,过流保护电路的整个响应时间通常小于10μs。因此,选用廉价的LM324基本可以满足设计要求,他的具体指标如下:单电源供电,工作电压 3~ 30 V,输入失调电压低于5 mV,输入到输出传输时延5μs,100 dB带宽大于1 MHz。

    2.3 实现功能

    这里以反向采样电流I2这一支路为例进行说明。 

    采样电流I2经LM358反向放大后在1脚输出,这里分别记LM358的管脚1,2,3,5,6的电压为V1,V2,V3,V5,V6,从图中显然有 V1=V2=V6。这里V3为瞬时过流保护控制点,V5为持续过流保护控制点。

   当V2<V3时,即没有过流信号出现,此时比较器1脚,7脚输出高电平,D1,D2截止,控制电路不工作。  

    当V3<V2<V5时,即有瞬时过流信号出现,比较器1脚输出低电平,7脚仍是高电平,D1导通,D2截止,即只有第一级比较起作用,此时,Q1,Q5导 通,LED发光,PT为高电平,启动保护电路。在这种情况下,主回路每瞬时过流一次,LED便亮一下,而后熄灭。也就是说,当过流信号介于比较点V3和 V5之间时,可以实现过流一次保护一次的功能。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:10-07-05]
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