中頻電阻焊機(jī)電源的IGBT保護(hù)方法

引言

電阻焊是一種重要的焊接工藝，具有生產(chǎn)效率高、成本低、節(jié)省材料和易于自動化等特點，中頻直流逆變電阻焊接電源作為一種新型的控制電源，以其顯著的高質(zhì)低耗的特點成為電阻焊電源的發(fā)展方向。

IGBT是一種用MOS管來控制晶體管的電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點，但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就容易損壞，為此，必須對IGBT進(jìn)行保護(hù)，本文從實際應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)了過壓、過流與過熱保護(hù)的相關(guān)問題和各種保護(hù)方法，適用性強(qiáng)、應(yīng)用效果好。

中頻電阻焊機(jī)逆變電源

中頻逆變直流電阻焊機(jī)的供電電源是由三相工頻交流電源經(jīng)整流電路和濾波電容轉(zhuǎn)換成直流電源，再經(jīng)由功率開關(guān)器件組成的逆變電路轉(zhuǎn)換成中頻方波電源，然后輸入變壓器降壓后，經(jīng)低管壓降的大功率二極管整流成直流電源，供給焊機(jī)的電極，對工件進(jìn)行焊接（見圖1）。控制電路部分由DSP和CPLD組成，DSP（TMS320LF2407A）產(chǎn)生的PWM波和檢測信號、保護(hù)信號在CPLD（EPM7128S）里現(xiàn)實邏輯運算。

逆變器通常采用電流反饋實現(xiàn)PWM，以獲得穩(wěn)定的恒定電流輸出，電路原理和波形如圖1所示，圖中U電源為電源電壓，U初級為逆變器輸出中頻電壓，變壓器次級電流為I次級，控制PWM的脈寬可以控制I次級的大小，逆變電流采用全橋結(jié)構(gòu)，主要優(yōu)點是主變壓器工作效率高，其主電路由4個IGBT和中頻變壓器組成，將直流電壓轉(zhuǎn)換成中頻方波交流電壓并送中頻變壓器，經(jīng)降壓整流濾波后輸出，電路的可靠性來自IGBT的穩(wěn)定運行。

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)，而對IGBT的保護(hù)，主要包括過電流保護(hù)，過電壓保護(hù)和IGBT過熱保護(hù)。

IGBT的保護(hù)措施

IGBT的過電流保護(hù)

IGBT的大功率管通常只能承受10μs以下的短路電流，當(dāng)IGBT遇到過流或短路時，若不加保護(hù)或保護(hù)不當(dāng)，就會使IGBT損壞。

M57962AL是IGBT專用驅(qū)動模塊，它采用雙電源驅(qū)動結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成有2500V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護(hù)電路，以及過電流保護(hù)輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口，本文主要應(yīng)用M57962AL來實現(xiàn)驅(qū)動和過電流保護(hù)功能，電路見圖2。

圖2所示的IGBT驅(qū)動與保護(hù)電路的工作原理為：驅(qū)動信號輸入后，經(jīng)過高速光耦隔離，由M57962AL內(nèi)置接口電路傳至功放級，在M57962AL的5腳產(chǎn)生+15V開柵和-10V關(guān)柵電壓，驅(qū)動IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)過流發(fā)生時，IGBT的Uce會顯著高于正常導(dǎo)通值，飽和壓降一般為7V以上，就發(fā)生退飽和現(xiàn)象，此時，M57962AL的保護(hù)電路檢測出IGBT的柵極和集電極同為高電平，判斷系統(tǒng)過流，M57962AL內(nèi)置定時器，通過關(guān)柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值，同時發(fā)出故障信號，使8腳變?yōu)榈碗娖剑ㄈ鐬樗查g過流，且在10μs內(nèi)，1端回到低電平，則保護(hù)復(fù)位，電路恢復(fù)常態(tài)），輸出短路故障信號（低電平），保護(hù)信號傳到控制電路，立即關(guān)閉PWM的輸出，即驅(qū)動信號關(guān)斷，從而起到保護(hù)IGBT的作用。

IGBT的過電壓保護(hù)

關(guān)斷IGBT時，它的集電極電流下降率較高，極高的下降率將引起集電極過電壓。降低IGBT集-射極間電壓UCE的方法通常有兩種：一種是增大柵極電阻RG，但RG的增大將減緩IGBT的開關(guān)速度，從而增加開關(guān)損耗，此方法不太理想；還有一種就是采用緩沖吸收電路（見圖3）。

吸收電容CS與電阻RS串聯(lián)后跨接在IGBT的C、E兩端，就構(gòu)成了RC吸收電路，由于RS的串入，使IGBT關(guān)斷時過電壓吸收效果較單電容緩沖電路要差，RS越大，吸收效果越差。所以，在緩沖吸收電路中，RS取值較小，這樣既有較好的吸收效果，同時對開通時的電流尖峰又有抑制作用。

IGBT的過熱保護(hù)

由于IGBT是大功率半導(dǎo)體器件，損耗功率使其發(fā)熱較多，加之IGBT的結(jié)溫不能超過125攝氏度，不宜長期工作在較高溫度下，因此要采取恰當(dāng)?shù)纳岽胧┻M(jìn)行過熱保護(hù)。

本文采用普通散熱器與強(qiáng)迫風(fēng)冷相結(jié)合的措施，并在控制電路上加過熱檢測保護(hù)電路，應(yīng)付IGBT與散熱器接觸不良或者非正常情況，在IGBT散熱片上安裝熱敏電阻，然后通過邏輯判斷電路給出信號，供控制電路處理（見圖4）。

U11為LM393AN比較器，JP5處接上具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻RT，Thref為參考電壓，可以通過調(diào)節(jié)電位器RP8來調(diào)節(jié)動作門檻值。電路正常工作時，2點電位比3點電位低，1點輸出信號THP為高電平，THP信號在CPLD（EPM7128S）中與PWM信號相與，當(dāng)器件溫度超過極限時，熱敏電阻值升高，2點電位高于3點電位，1點輸出低電平，經(jīng)CPLD封鎖PWM脈沖信號，驅(qū)動輸出低電平，從而關(guān)斷IGBT，實現(xiàn)過熱保護(hù)。

實驗結(jié)果與分析

根據(jù)以上各種保護(hù)電路，結(jié)合圖1主電路，構(gòu)成本實驗電路。加壓后使其工作，采用示波器TDS3014B觀察和記錄實驗波形。記錄的波形為驅(qū)動輸出連接IGBT的G極波形。

圖5為工作狀態(tài)下的情況，波形十分穩(wěn)定，驅(qū)動電壓信號為+15V、-9V。能通過調(diào)節(jié)PWM的寬度來調(diào)節(jié)IGBT的開關(guān)時間，從而調(diào)節(jié)次級直流電流的大小，圖6為發(fā)生短路的情況，當(dāng)M57962AL檢測到過流發(fā)生時，迅速產(chǎn)生短路保護(hù)信號short1，并將其送給DSP2407A，立即關(guān)閉PWM的輸出。

結(jié)語

本文介紹了利用硬件保護(hù)電路，對中頻直流電阻焊機(jī)逆變電源中的IGBT進(jìn)行保護(hù)的方法和措施，這樣不僅保護(hù)了IGBT正常使用的安全，還保證了該電源即使在惡劣的環(huán)境中也能可靠穩(wěn)定的工作，從實際運用情況看，設(shè)計的保護(hù)電路實現(xiàn)了可靠有效的保護(hù)。