【導讀】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。
基于IGBT的大功率開關放大電路運行時會有功率大、電壓高的需求，因此IGBT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
另外，當過流保護電路輸出過流信號時，LED導通發光，指示過流信號檢出；待確定IGBT功率放大電路的過流狀態消失，則可以通過外部控制將開關S閉合，可控硅復位，將IGBT驅動器的驅動信號輸出鎖定電平信號撤銷。、
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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
驅動信號檢測模塊包含三個模塊：計數，鎖存和控制，如圖2所示。其中，計數模塊統計驅動信號的高電平的時標頻率信號個數，并輸出鎖存清零信號，鎖存模塊將數據鎖存，控制模塊判斷驅動信號高電平內的時標頻率信號的個數是否超過預置門限值。
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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。
