成就电子电路设计高手之保护电子电路设计下篇

电子电路设计在电子行业十分重要相关人员对于电子电路设计均有所了解。对于电子电路设计小编于往期文章中有过介绍。上篇文章中更是对保护电子电路设计有所讲解。本文将对保护电子电路设计的剩余内容加以阐述如果你对本文内容具有兴趣不妨继续往下阅读哦。一、开关量输入电路图5中开关量经过光电隔离后与CPU相连。其中当输人端为高电平时输出端为低电平。开关量输出电路开关量输出电路是跳闸合闸信号的通道低电平有效如图6所示。IGBT保护电路的过流保护设计方案生产厂家对IGBT提供的安全工作区有严格的限制条件且IGBT承受过电流的时间仅为几微秒(SCR、GTR等器件承受过流时间为几十微秒)耐过流量小因此使用IGBT首要注意的是过流保护。产生过流的原因大致有晶体管或二极管损坏、控制与驱动电路故障或干扰等引起误动、输出线接错或绝缘损坏等形成短路、输出端对地短路与电机绝缘损坏、逆变桥的桥臂短路等。对IGBT的过流检测保护分两种情况(1)驱动电路中无保护功能。这时在主电路中要设置过流检测器件。对于小容量变频器一般是把电阻R直接串接在主电路中如图1(a)所示通过电阻两端的电压来反映电流的大小;对于大中容量变频器因电流大需用电流互感器TA(如霍尔传感器等)。电流互感器所接位置一是像串电阻那样串接在主回路中如图1(a)中的虚线所示;二是串接在每个IGBT上如图1(b)所示。前者只用一个电流互感器检测流过IGBT的总电流经济简单但检测精度较差;后者直接反映每个IGBT的电流测量精度高但需6个电流互感器。过电流检测出来的电流信号经光耦管向控制电路输出封锁信号从而关断IGBT的触发实现过流保护。图1 IGBT的过流检测(2)驱动电路中设有保护功能。如日本英达公司的HR065、富士电机的EXB840844、三菱公司的M57962L等是集驱动与保护功能于一体的集成电路(称为混合驱动模块)其电流检测是利用在某一正向栅压 Uge下正向导通管压降Uce(ON)与集电极电流Ie成正比的特性通过检测Uce(ON)的大小来判断Ie的大小产品的可靠性高。不同型号的混合驱动模块其输出能力、开关速度与du/dt的承受能力不同使用时要根据实际情况恰当选用。由于混合驱动模块本身的过流保护临界电压动作值是固定的(一般为710V)因而存在着一个与IGBT配合的问题。通常采用的方法是调整串联在 IGBT集电极与驱动模块之间的二极管V的个数如图2(a)所示使这些二极管的通态压降之和等于或略大于驱动模块过流保护动作电压与IGBT的通态饱和压降Uce(ON)之差。图2 混合驱动模块与IGBT过流保护的配合上述用改变二极管的个数来调整过流保护动作点的方法虽然简单实用但精度不高。这是因为每个二极管的通态压降为固定值使得驱动模块与IGBT集电极c之间的电压不能连续可调。在实际工作中改进方法有两种(1)改变二极管的型号与个数相结合。例如IGBT的通态饱和压降为2.65V驱动模块过流保护临界动作电压值为 7.84V时那么整个二极管上的通态压降之和应为7.84-2.655.19V此时选用7个硅二极管与1个锗二极管串联其通态压降之和为 0.7TImes;70.3TImes;15.20V(硅管视为0.7V锗管视为0.3V)则能较好地实现配合(2)二极管与电阻相结合。由于二极管通态压降的差异性上述改进方法很难精确设定IGBT过流保护的临界动作电压值如果用电阻取代12个二极管如图2(b)则可做到精确配合。二、过压/过热保护电路设计另外由于同一桥臂上的两个IGBT的控制信号重叠或开关器件本身延时过长等原因使上下两个IGBT直通桥臂短路此时电流的上升率和浪涌冲击电流都很大极易损坏IGBT 为此还可以设置桥臂互锁保护如图3所示。图中用两个与门对同一桥臂上的两个IGBT的驱动信号进行互锁使每个IGBT的工作状态都互为另一个 IGBT驱动信号可否通过的制约条件只有在一个IGBT被确认关断后另一个IGBT才能导通这样严格防止了臂桥短路引起过流情况的出现。图3 IGBT桥臂直通短路保护过压保护IGBT在由导通状态关断时电流Ic突然变小由于电路中的杂散电感与负载电感的作用将在IGBT的c、e两端产生很高的浪涌尖峰电压 uceL dic/dt加之IGBT的耐过压能力较差这样就会使IGBT击穿因此其过压保护也是十分重要的。过压保护可以从以下几个方面进行(1)尽可能减少电路中的杂散电感。作为模块设计制造者来说要优化模块内部结构(如采用分层电路、缩小有效回路面积等)减少寄生电感; 作为使用者来说要优化主电路结构(采用分层布线、尽量缩短联接线等)减少杂散电感。另外在整个线路上多加一些低阻低感的退耦电容进一步减少线路电感。所有这些对于直接减少IGBT的关断过电压均有较好的效果。(2)采用吸收回路。吸收回路的作用是;当IGBT关断时吸收电感中释放的能量以降低关断过电压。常用的吸收回路有两种如图4所示。其中(a)图为充放电吸收回路(b)图为钳位式吸收回路。对于电路中元件的选用在实际工作中电容c选用高频低感圈绕聚乙烯或聚丙烯电容也可选用陶瓷电容容量为2 F左右。电容量选得大一些对浪涌尖峰电压的抑制好一些但过大会受到放电时间的限制。电阻R选用氧化膜无感电阻其阻值的确定要满足放电时间明显小于主电路开关周期的要求可按R≤T/6C计算T为主电路的开关周期。二极管V应选用正向过渡电压低、逆向恢复时间短的软特性缓冲二极管。(3)适当增大栅极电阻Rg。实践证明Rg增大使IGBT的开关速度减慢能明显减少开关过电压尖峰但相应的增加了开关损耗使 IGBT发热增多要配合进行过热保护。Rg阻值的选择原则是在开关损耗不太大的情况下尽可能选用较大的电阻实际工作中按Rg3000/Ic 选取。图4 吸收回路除了上述减少c、e之间的过电压之外为防止栅极电荷积累、栅源电压出现尖峰损坏 IGBT可在g、e之间设置一些保护元件电路如图5所示。电阻R的作用是使栅极积累电荷泄放其阻值可取4.7kΩ;两个反向串联的稳压二极管V1、 V2。是为了防止栅源电压尖峰损坏IGBT。图5 防栅极电荷积累与栅源电压尖峰的保护过热保护IGBT 的损耗功率主要包括开关损耗和导通损耗前者随开关频率的增高而增大占整个损耗的主要部分;后者是IGBT控制的平均电流与电源电压的乘积。由于 IGBT是大功率半导体器件损耗功率使其发热较多(尤其是Rg选择偏大时)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。