倍频式IGBT高频感应加热电源负载短路的保护

[b]O 引言 [/b] 绝缘栅双极型晶体管ICBT(Insulated Gale Bipolar Translstor)是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，它既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的特点。这些优点使得IGBT在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。 采用IGBT作为功率开关，利用倍频电路的特性将电路推向高频化，通过改变内外槽路频率差的大小，可以实现功率的调节和负载的匹配。 在工件淬火和焊接等工艺中，由于各种原因会造成电源负载端突然短路。本文通过对负载短路时的电路特性的研究，提出了电路参数的选择原则。 1 主电路工作原理分析 倍频式ICBT高频感应加热电源主电路如图1所示。电路在稳态下，通过S1"S4和D1"D4的轮流导通，换流支路和隔直电容之间进行充放电，产生的振荡电流流经负载交流等效电阻RH，构成负载电流的正负半波。 其一个工作循环可分为表1中几个阶段。 2 负载短路分析 在负载短路时，逆变桥囚侵入干扰信号而产生直通短路，逆变桥输入电压突降为零。这时，原来储藏在滤波电感Ld中的磁能和隔直电容Cd中的电能均分别以短路电流ids和iHs的形式向逆变电路释放，等效电路图为图2(a)所示。桥中IGBT流过的短路电流is为 式中：ωs为振荡电流的振荡周期； δs为振荡电流的衰减系数。 这一浪涌电流由检测电路检巾并使保护电路立即动作，发出过流信号，整流电路即由整流状态向逆变电路过渡。逆变桥关断时的等效电路如图2(b)所示，短路电流ids移至Cd支路，Cd被充电，Cd端压逐渐上升，短路电流下降，此后短路电流在Cd、Ld、以及吸收电路中R和C构成的回路中作振荡衰减，直至能量消耗完为止。ids沿Ld流过，由于电路的惯性较大，电流增长不多，近似于短路前的工作电流Ido，于是浪涌电路的幅值为Ism=IHsm+Ido (4) 要减小负载短路时产生的浪涌电流对功率管的冲击，一般采用两种方案：其一，实时检测电流大小，当超过保护设定值时，保护电路立即动作，这就要求保护电路的动态特性非常好，包括检测电路的延时、保护动作电路的延时，在高频电路中实现起来是很困难的；其二，主电路中采取限流元器件，使电路发生短路时，电流上升的速度缓慢，这样保护电路有充足的时间来响应。在本系统中，考虑到电路频率较高，容量较大，发生短路时要求保护很迅速，因此采用以上两种方案相结合：检测电路检测到过流时，采用降栅压慢关断技术，增强功率器件的瞬时过流能力，而后保护电路动作；同时，从式(3)可以看出，选择合适的Cd和LT的值，可以在一定程度上减小浪涌电流的大小。 所谓降栅压慢关断技术指的是，当IGBT出现过流时，先将其栅极驱动电压降低，然后将其关断，一是延长了IGBT能够承受过流的时间，二是可以降低器件受到过流冲击的幅度。过流时器件通态压降升高，管子瞬时热损耗急剧增加，为防止器件热损坏，过流时间应足够短，一般<10μs。SHARP公司的光耦合器PC929将这一功能和驱动电路集成在一起，器件内部原理图如图3所示。 从图3中可以看出，当过流发生时，PC929的脚⑨检测到IGBT导通压降升高，IGBT protectorcircuit作用使得IGBT的驱动电压降低，以限制IGBT的短路冲击电流幅值。同时，可以将短路信号送至控制电路，并将IGBT驱动信号关断，避免器件因过流而损坏。将保护电路和驱动电路集成，既可以减小保护电路响应时间，又可以减小外界噪声干扰。 下面通过仿真来选择合适的Cd和LT之值，从而减小短路浪涌电流峰值。一般来讲，IGBT的瞬时承受浪涌电流的能力是其额定电流的2"3倍。因此，在该电路设计时取IGBT的瞬时承受的电流为250A，当直流电压Ucd=500V时，为了使短路发生时不至于烧坏IGBT，从式(3)可知，Cd和LT必须满足式(5)。 从减小短路电流的角度看，Cd要尽可能小，LT要尽可能大。但Cd过小，电路工作时存在以下缺点：隔直效果不理想；输出电压正弦失真度过高，输出电压降低，加热效果不理想；反并二极管重新导通，增加二极管的电流容量，如图4所示。 当LT过大时，电路工作时存在以下缺点：LT上的高频压降过高，使得输出电压降低；管子关断时承受的正向阻断电压升高；内槽路谐振频率减小，IGBT和二极管出现二次导通，如图5所示。 图6是LT/Cd=4，Cd=0.75μF，LT=3μH时的仿真波形，通过与图4和图5的对比可以看出，此时参数选择最为合适。 上述仿真波形中存在的振荡，均是由器件的寄生电容、二极管反向恢复过程引起的。 图7是在LT从3μH变化到8μH时，管子关断时承受的电压波形和负载输出电压波形。可以看出LT在这一范围取值是比较合适的。 3 实验结果 结合前面的分析，做了相关的实验，其波形如图8所示。该实验中IGBT的工作频率是50kHz，负载输出频率为100kHz。 图8中曲线1是流过IGBT的电流波形，由于电流互感器方向与电流实际方向相反，所以，与曲线2所示的IGBT两端电压uds的波形逻辑相反。 从波形来看，实验波形验证了前面分析的正确性。 4 结语 采用IGBT作为功率开关，利用倍频电路的特性可以将电路推向高频化。 在负载短路时，选择合适的Cd和LT的值，可以在一定程度上减小浪涌电流的大小，从而更好地保护电路，保证了电路的可靠运行。