【導讀】基于IGBT的大功率開關放大電路運行時功率大、電壓高，常受到容性或感性負載的沖擊，加之IGBT的耐電應力沖擊能力差，因此，設計IGBT功率放大電路的保護電路是非常有必要的。本文提出的三種不同形式的電路，完全滿足IGBT器件的保護需求。
引言
基于IGBT的大功率開關放大電路運行時，功率大、電壓高，經常受到容性或感性負載的沖擊，承受過負荷，器件的運行區超出所給定的安全工作區，同時，由于IGBT的耐電應力沖擊能力差，易導致器件損毀。
因此，設計出IGBT功率放大電路的保護電路，解決IGBT潛在的橋臂直通、過電流、過熱等故障因素，是非常有必要的。
不同形式的電路保護
針對前文提到的橋臂直通、過電流、過熱等三個問題，本文提出不同形式的電路，滿足IGBT器件的保護需求。
驅動信號檢測(防止橋臂直通)：在基于IGBT的功率開關放大電路中，驅動信號必須是帶死區的方波信號，信號“死區”一旦消失，控制時序出現紊亂，從而造成同一側橋臂直通，后果是IGBT器件損毀，而且控制“死區”的響應時間必須是微秒級；雖然可以采用分立器件設計檢測電路，但調試比較繁瑣；本文選擇CPLD作為邏輯電路的載體，發揮其在邏輯電路設計中的易用性特點，編寫相應的檢測電路代碼，對CPLD進行編程，得到驅動信號的脈沖寬度檢測電路的核心處理單元，同時，設計相應的外部信號接口電路，從而實現對驅動信號的脈沖寬度的“死區”檢測；
過流保護：IGBT功率開關電路的過電流會造成IGBT非正常退出飽和區，從而造成IGBT的損壞；采用霍爾傳感器，比較器、驅動器等高速器件來設計“過流”保護電路，使過流保護電路能夠控制作為直流電源開關的IGBT，從而使得直流電源能夠接受保護電路的分閘與合閘控制，是一種可行的方法。
過熱保護：對IGBT的結溫進行監測，當結溫超過設定值，輸出報警，切斷IGBT的直流電源及其驅動信號的輸入，設計適用的電路，從而達到對基于IGBT的功率開關電路的保護目的。
保護電路的設計
過流檢測
過流檢測電路設計原理圖如圖1所示，在功率放大電路的IGBT的供電主回路中，串行安裝電流互感器，電流互感器實時采樣并輸出通過IGBT的直流電流值；采樣值經取樣電阻，將電流信號轉換為電壓信號，并送至比較器輸入端，比較器的門限電壓通過電位器RP來調整和設定(實際工程中，設定的值可以通過預先計算或經試驗得到)；這樣，取樣電阻上的電壓和門限電壓通過比較器比較；當檢測到直流電源“過流”時，即過流信號在取樣電阻RM兩端電壓產生超過預先設置門限電壓上限值，電壓比較器響應動作，輸出高電平，此電平信號觸發可控硅Q1的導通，則與可控硅的陰極串聯的電阻R2節點處將輸出電平信號，此信號處于持續鎖定狀態，此電平信號(即過流輸出信號響應動作)輸出給IGBT的信號驅動板，驅動板立即閉鎖驅動信號輸出，這樣IGBT被斷開，提供給功率放大電路的直流電源被切斷，IGBT器件得到保護。
圖1：過流檢測電路原理
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驅動信號檢測
基于IGBT功率放大電路的同一橋臂上的兩路驅動信號要留有“死區”時間，也就是不能同時為高電平，否則會造成開關電路的橋臂直通而短路，驅動信號的脈沖過寬和過窄，以及無脈沖輸出，會嚴重影響功率放大電路的穩定運行。
當功率開關放大電路使用固定驅動信號時，可以運用脈沖寬度檢測方法，選擇適當的頻率信號作為計數的時標單位，對驅動信號的高電平持續進行時標信號計數，并且將計數的個數值轉換為時間，即得到脈沖寬度值。
電路實現：在CPLD中設置預先設定的計數門限值，即驅動信號高電平或者低電平持續的最大計數值；對輸入的驅動信號的高電平或者低電平持續計數，將采樣得到的單位計數值與預置的門限計數值進行比較，如果計數值小于或者大于預先設置的值，則檢測模塊輸出閉鎖信號，切斷驅動信號輸出模塊的信號輸出，完成驅動信號的高電平脈沖寬度檢測；同時，模塊將驅動信號進行反相邏輯轉換，然后再檢測轉換后形成的高電平脈沖寬度，這樣，實現驅動信號的低電平的脈沖寬度檢測。
圖2：脈沖寬度檢測邏輯圖
過熱檢測
IGBT的損耗功率隨著開關頻率的增高而增大，大功率運行時，損耗功率易急劇增加發熱，由于IGBT的結溫不超過125℃，基于IGBT的功率開關電路不能長期工作在結溫點上限，否則，IGBT將過熱損毀，因此，設計出溫度檢測電路，實現對IGBT的結溫檢測，從而達到保護目的。
設計過熱保護電路時，首先選擇一個適當的工作溫度值，作為外部控制系統的報警與保護動作門限值，電路設計可以采用類似過流檢測電路的模式，適用比較電路實現；再者，選用表面貼裝式溫度測量模塊安裝在IGBT模塊的散熱器表面，溫度傳感器監測輸出IGBT的工作溫度。
這樣，當溫度超過預設的報警溫度臨界點，保護電路能夠及時采樣溫度信號，并使得過熱保護電路響應輸出。
另外，對于采用水循環散熱的IGBT功率放大電路，設置冷卻水流量監測，實時檢測功放單元工作時冷卻水的流量，監測流量是否超過IGBT工作時適宜的溫度值需要的流量限定值；當冷卻水的流量低于設定下限，過熱檢測電路輸出過熱保護信號。
以上兩種過熱檢測電路在實際運行時，過熱報警觸發輸出的信號與直流電源開關的IGBT的驅動板的驅動信號產生邏輯關聯，閉鎖IGBT驅動器的驅動信號輸出，進而切斷功率放大器的IGBT直流電源的供電，從而保護功率開關電路的IGBT器件。
仿真與實驗
針對前文設計的驅動信號脈沖寬度檢測電路，通過仿真進行功能驗證，仿真結果如圖3所示，當驅動信號(signal)脈沖過窄時，檢測模塊輸出高電平(signal_error)信號，意味著驅動信號的高電平信號脈寬小于預先設定的脈寬門限值上限，輸出高電平報警。
實驗驗證
為了進一步驗證本文所設計的保護電路的有效性，在IGBT功率放大器上進行了實際測試。圖4與圖5舉例過流保護動作后的實驗波形，圖中曲線分別為功率放大器輸出電壓波形、輸出電流波形。
觀察分析曲線的結果，得出結論：當IGBT在不同工作參數運行期間，一旦發生過流信號被保護電路檢測，IGBT驅動板封鎖驅動信號輸出，IGBT被關閉，通過IGBT功率放大電路的電壓和電流在極短時間內降為零值，IGBT得到了保護。
結語
本文介紹了基于IGBT功率放大器的三種保護方式：一個IGBT直流供電過流檢測電路，一個基于CPLD的驅動信號脈沖寬度檢測邏輯電路，一個針對IGBT結溫設計檢測的電路；并且對設計保護電路進行了舉例仿真和實驗舉例，驗證了保護電路的功能。
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