中频电阻焊机电源的IGBT保护方法

摘要：本文通过一个实际的中频电阻焊机电源，分析了IGBT在应用中可能造成其损坏的原因，并利用硬件电路对电源中的IGBT采取了相应措施进行保护，以确保其安全可靠地工作。

关键词：电阻焊；电源；IGBT；保护

引言

电阻焊是一种重要的焊接工艺，具有生产效率高、成本低、节省材料和易于自动化等特点。中频直流逆变电阻焊接电源作为一种新型的控制电源，以其显著的高质低耗的特点成为电阻焊电源的发展方向。

IGBT是一种用MOS管来控制晶体管的电力电子器件,具有电压高、电流大、频率高、导通电阻小等特点。但由于IGBT的耐过流能力与耐过压能力较差,一旦出现意外就容易损坏。为此,必须对IGBT进行保护。本文从实际应用出发,总结了过压、过流与过热保护的相关问题和各种保护方法,实用性强,应用效果好。

中频电阻焊机逆变电源

中频逆变直流电阻焊机的供电电源是由三相工频交流电源经整流电路和滤波电容转换成直流电源，再经由功率开关器件组成的逆变电路转换成中频方波电源，然后输入变压器降压后，经低管压降的大功率二极管整流成直流电源，供给焊机的电极，对工件进行焊接(见图1)。控制电路部分由DSP和CPLD组成，DSP(TMS320LF2407A)产生的PWM波和检测信号、保护信号在CPLD (EPM7128S)里实现逻辑运算。　　

逆变器通常采用电流反馈实现PWM，以获得稳定的恒定电流输出。电路原理和波形如图1所示。图中U电源为电源电压，U初级为逆变器输出中频电压，变压器次级电流为I次级，控制PWM的脉宽可以控制I次级的大小。逆变电路采用全桥结构，主要优点是主变压器工作效率高。其主电路由4个IGBT和中频变压器组成，将直流电压转换成中频方波交流电压并送中频变压器，经降压整流滤波后输出。电路的可靠来自IGBT的稳定运行。

保证IGBT在安全工作范围内并处于较好状态下，是提高整机可靠性的关键技术。而对IGBT的保护，主要包括过电流保护、过电压保护和IGBT过热保护。
　　
IGBT的保护措施

IGBT的过电流保护

IGBT大功率管通常只能承受10ms以下的短路电流，当IGBT遇到过流或短路时，若不加保护或保护不当，就会使IGBT损坏。

M57962AL是IGBT专用驱动模块，它采用双电源驱动结构，内部集成有2500 V高隔离电压的光耦合器和过电流保护电路，以及过电流保护输出信号端子和与TTL电平相兼容的输入接口。本文主要应用M57962AL来实现驱动和过电流保护功能，电路见图2。

图2所示的IGBT驱动与保护电路的工作原理为：驱动信号输入后，经过高速光耦隔离,由M57962AL内置接口电路传至功放级,在M57962AL的5脚产生+15V开栅和-10V关栅电压,驱动IGBT导通与关断。当过流发生时,IGBT的UCE会显著高于正常导通值,饱和压降一般为7V以上,就发生退饱和现象,此时，M57962AL的保护电路检测出IGBT的栅极和集电极同为高电平，判断系统过流，M57962AL内置定时器，通过关栅电路和降压电路将短路电流钳制在较低的值，同时发出故障信号，使8脚变为低电平 (如为瞬间过流，且在10ms内，1端回到低电平，则保护复位，电路恢复常态)，输出短路故障信号(低电平)，保护信号传到控制电路，立即关闭PWM的输出，即驱动信号关断，从而起到保护IGBT的作用。

IGBT的过电压保护

关断IGBT时，它的集电极电流下降率较高，极高的下降率将引起集电极过电压。降低IGBT集－射极间电压UCE的方法通常有两种：一种是增大栅极电阻RG，但RG的增大将减缓IGBT的开关速度，从而增加开关损耗，此方法不太理想；还有一种就是采用缓冲吸收电路(见图3)。

吸收电容CS与电阻RS串联后跨接在IGBT的C、E两端，就构成了RC吸收电路。由于RS的串入，使IGBT关断时过电压吸收效果较单电容缓冲电路要差，RS越大，吸收效果越差。所以，在缓冲吸收电路中，RS取值较小，这样既有较好的吸收效果，同时对开通时的电流尖峰又有抑制作用。

IGBT的过热保护

由于IGBT是大功率半导体器件,损耗功率使其发热较多,加之IGBT的结温不能超过125℃，不宜长期工作在较高温度下,因此要采取恰当的散热措施进行过热保护。

本文采用普通散热器与强迫风冷相结合的措施,并在控制电路上加过热检测保护电路，应付IGBT与散热器接触不良或其它非正常情况。在IGBT散热片上安装热敏电阻，然后通过逻辑判断电路给出信号，供控制电路处理(见图4)。   

U11为LM393AN比较器，JP5处接上具有正温度系数的热敏电阻RT，Thref为参考电压，可以通过调节电位器RP8来调节动作门槛值。电路正常工作时，2点电位比3点电位低，1点输出信号THP为高电平，THP信号在CPLD(EPM7128S)中与PWM信号相与；当器件温度超过极限时，热敏电阻值升高，2点电位高于3点电位，1点输出低电平，经CPLD封锁PWM脉冲信号，驱动输出低电平，从而关断IGBT，实现过热保护。

实验结果与分析

根据以上各种保护电路，结合图1主电路，构成本实验电路。加压后使其工作，采用示波器TDS3014B观察和记录实验波形。记录的波形为驱动输出连接IGBT的G极波形。

图5为工作状态下的情况，波形十分稳定，驱动电压信号为+15V、-9V。能通过调节PWM的宽度来调节IGBT的开关时间，从而调节次级直流电流的大小。图6为发生短路的情况，当M57962AL检测到过流发生时, 迅速产生短路保护信号short1，并将其送给DSP2407A，立即关闭PWM的输出。

结语

本文介绍了利用硬件保护电路，对中频直流电阻焊机逆变电源中的IGBT进行保护的方法和措施。这样不仅保护了IGBT正常使用的安全，还保证了该电源即使在恶劣的环境中也能可靠稳定的工作。从实际运用情况看，设计的保护电路实现了可靠有效的保护。■

参考文献：
1. 许华明 IGBT 逆变焊机的数字化研究设计与实现[J] 电子科技大学硕士论文2004年
2. 王瑞 IGBT常见损坏形式及其保护措施[N] 世界煤矿快报 2000-12
3. 盛祖权 IGBT模块驱动保护技术［J］ 电焊机 2000,30(11):6-13