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中頻電阻焊機(jī)電源的IGBT保護(hù)方法

發(fā)布時(shí)間:2008-10-25

中心議題:

  • 總結(jié)過(guò)壓、過(guò)流與過(guò)熱保護(hù)的相關(guān)問(wèn)題和各種保護(hù)方法
  • 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并得出結(jié)論

解決方案:

  • 對(duì)IGBT的保護(hù),主要包括過(guò)電流保護(hù),過(guò)電壓保護(hù)和IGBT過(guò)熱保護(hù)
  • 采用緩沖吸收電路降低IGBT集-射極間電壓UCE

 

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(dòng)化等特點(diǎn),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(diǎn)成為電阻焊電源的發(fā)展方向。

IGBT是一種用MOS管來(lái)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(diǎn),但由于IGBT的耐過(guò)流能力與耐過(guò)壓能力較差,一旦出現(xiàn)意外就容易損壞,為此,必須對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù),本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),總結(jié)了過(guò)壓、過(guò)流與過(guò)熱保護(hù)的相關(guān)問(wèn)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(kāi)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(duì)工件進(jìn)行焊接(見(jiàn)圖1)??刂齐娐凡糠钟蒁SP和CPLD組成,DSP(TMS320LF2407A)產(chǎn)生的PWM波和檢測(cè)信號(hào)、保護(hù)信號(hào)在CPLD(EPM7128S)里現(xiàn)實(shí)邏輯運(yùn)算。

逆變器通常采用電流反饋實(shí)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(jí)為逆變器輸出中頻電壓,變壓器次級(jí)電流為I次級(jí),控制PWM的脈寬可以控制I次級(jí)的大小,逆變電流采用全橋結(jié)構(gòu),主要優(yōu)點(diǎn)是主變壓器工作效率高,其主電路由4個(gè)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(lái)自IGBT的穩(wěn)定運(yùn)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(duì)IGBT的保護(hù),主要包括過(guò)電流保護(hù),過(guò)電壓保護(hù)和IGBT過(guò)熱保護(hù)。

IGBT的保護(hù)措施
IGBT的過(guò)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(guò)流或短路時(shí),若不加保護(hù)或保護(hù)不當(dāng),就會(huì)使IGBT損壞。

M57962AL是IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊,它采用雙電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),內(nèi)部集成有2500V高隔離電壓的光耦合器和過(guò)電流保護(hù)電路,以及過(guò)電流保護(hù)輸出信號(hào)端子和與TTL電平相兼容的輸入接口,本文主要應(yīng)用M57962AL來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和過(guò)電流保護(hù)功能,電路見(jiàn)圖2。
 
 


圖2所示的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的工作原理為:驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入后,經(jīng)過(guò)高速光耦隔離,由M57962AL內(nèi)置接口電路傳至功放級(jí),在M57962AL的5腳產(chǎn)生+15V開(kāi)柵和-10V關(guān)柵電壓,驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷。當(dāng)過(guò)流發(fā)生時(shí),IGBT的Uce會(huì)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(shí),M57962AL的保護(hù)電路檢測(cè)出IGBT的柵極和集電極同為高電平,判斷系統(tǒng)過(guò)流,M57962AL內(nèi)置定時(shí)器,通過(guò)關(guān)柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值,同時(shí)發(fā)出故障信號(hào),使8腳變?yōu)榈碗娖?如為瞬間過(guò)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(hào)(低電平),保護(hù)信號(hào)傳到控制電路,立即關(guān)閉PWM的輸出,即驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷,從而起到保護(hù)IGBT的作用。

IGBT的過(guò)電壓保護(hù)
關(guān)斷IGBT時(shí),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(guò)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(kāi)關(guān)速度,從而增加開(kāi)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(jiàn)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(shí)過(guò)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(shí)對(duì)開(kāi)通時(shí)的電流尖峰又有抑制作用。
IGBT的過(guò)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(guò)125攝氏度,不宜長(zhǎng)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(guò)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(guò)熱檢測(cè)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(guò)邏輯判斷電路給出信號(hào),供控制電路處理(見(jiàn)圖4)。

U11為L(zhǎng)M393AN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(guò)調(diào)節(jié)電位器RP8來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)作門檻值。電路正常工作時(shí),2點(diǎn)電位比3點(diǎn)電位低,1點(diǎn)輸出信號(hào)THP為高電平,THP信號(hào)在CPLD(EPM7128S)中與PWM信號(hào)相與,當(dāng)器件溫度超過(guò)極限時(shí),熱敏電阻值升高,2點(diǎn)電位高于3點(diǎn)電位,1點(diǎn)輸出低電平,經(jīng)CPLD封鎖PWM脈沖信號(hào),驅(qū)動(dòng)輸出低電平,從而關(guān)斷IGBT,實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)電路。加壓后使其工作,采用示波器TDS3014B觀察和記錄實(shí)驗(yàn)波形。記錄的波形為驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓信號(hào)為+15V、-9V。能通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的寬度來(lái)調(diào)節(jié)IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間,從而調(diào)節(jié)次級(jí)直流電流的大小,圖6為發(fā)生短路的情況,當(dāng)M57962AL檢測(cè)到過(guò)流發(fā)生時(shí),迅速產(chǎn)生短路保護(hù)信號(hào)short1,并將其送給DSP2407A,立即關(guān)閉PWM的輸出。

結(jié)語(yǔ)
本文介紹了利用硬件保護(hù)電路,對(duì)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(shí)際運(yùn)用情況看,設(shè)計(jì)的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了可靠有效的保護(hù)。

 

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