中心議題：

• IGBT的工作原理
• 弧焊逆變電源的IGBT保護(hù)措施

解決方案：

• IGBT柵極的保護(hù)
• IGBT集電極與發(fā)射極的過(guò)壓保護(hù)
• IGBT過(guò)流保護(hù)
• IGBT過(guò)熱保護(hù)

1.引言

弧焊逆變電源廣泛應(yīng)用于造船、機(jī)械、汽車(chē)、電力、化工、石油、輕工業(yè)、航天、國(guó)防工業(yè)等部門(mén)。近年來(lái)大功率電力電子器件IGBT以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)受到眾多廠家的青睞，并逐步應(yīng)用于現(xiàn)代弧焊逆變電源中。然而弧焊逆變電源工作環(huán)境惡劣，其負(fù)載決定了其工作電流變化劇烈，如果我們對(duì)IGBT性能和特點(diǎn)存在模糊認(rèn)識(shí)并且在控制方法和保護(hù)技術(shù)等方面未采取有效的措施，則很有可能會(huì)損壞IGBT。本文針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)分析IGBT的結(jié)構(gòu)及其安全工作區(qū)，解釋了在實(shí)際應(yīng)用中可能造成其損壞的原因，并利用硬件電路結(jié)合單片機(jī)的控制程序?qū)『改孀冸娫吹腎GBT采取相應(yīng)措施進(jìn)行保護(hù)，從而確保了IGBT安全可靠的工作。

2．IGBT 的工作原理

2.1　IGBT結(jié)構(gòu)
IGBT結(jié)構(gòu)上與MOSFET十分相似，只是多了一個(gè)p⁺層，引出作為發(fā)射極，柵極、集電極與MOSFET完全相似。其簡(jiǎn)化等效電路如圖1所示。

圖1 IGBT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化等效電路

IGBT的工作原理：IGBT由柵極電壓正負(fù)來(lái)控制。當(dāng)加上正柵極電壓時(shí)，絕緣柵下形成溝道，MOSFET導(dǎo)通，相當(dāng)于Rdr接到E，為PNP晶體管提供了流動(dòng)的基極電流，從而使PNP管（即整個(gè)IGBT）導(dǎo)通。當(dāng)加上負(fù)柵極電壓時(shí)，IGBT工作過(guò)程相反，形成關(guān)斷。

2.2　IGBT安全工作區(qū)
在IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中，大電流和大電壓的重疊造成主要的功耗，同時(shí)承受較高的di/dt和dv/dt即電流電壓應(yīng)力。特別是運(yùn)行在PWM硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，這是影響可靠性的重要原因。為了保證其安全可靠的工作，不僅有電流電壓的限制，還必需使其動(dòng)態(tài)過(guò)程的運(yùn)行軌跡在安全工作區(qū)內(nèi)。如圖2所示，正偏安全工作區(qū)FBSOA是指柵極加正向電壓時(shí)的安全工作區(qū)，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通狀態(tài)。三條邊界分別對(duì)應(yīng)允許電流、允許電壓和允許功耗。隨著導(dǎo)通時(shí)間增長(zhǎng)，功耗和溫升增加，安全工作區(qū)縮小。

IGBT關(guān)斷時(shí)為反向偏置，對(duì)應(yīng)安全工作區(qū)為反偏安全工作區(qū)RBSOA。除了電流電壓邊界外，另一邊界為器件關(guān)斷后的重加電壓上升率。因此，電壓變化率越大，安全工作區(qū)越小。實(shí)際上，這就是因?yàn)镮GBT動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)的限制的緣故。所以在弧焊逆變電源的設(shè)計(jì)中，限制過(guò)電流和過(guò)電壓、改善器件的運(yùn)行特性以及降低功耗，都有重要的意義。在不同的工作狀態(tài)下，保證IGBT在安全工作范圍內(nèi)并處于較好狀態(tài)下，是提高整機(jī)可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。

3．IGBT的保護(hù)措施

由于其結(jié)構(gòu)和安全工作區(qū)知IGBT的可靠與否主要由以下因素決定：
1、柵極與發(fā)射極電壓
2、集電極與發(fā)射極電壓
3、流過(guò)集電極的電流
4、IGBT的結(jié)溫

以上的四個(gè)因素在工作環(huán)境惡劣的弧焊逆變電源中都是需要注意的，尤其是第二項(xiàng)和第三項(xiàng)是我們?cè)谠O(shè)計(jì)保護(hù)電路中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。
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3.1　IGBT柵極的保護(hù)
IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓V_CE的保證電壓為 ±20V因此在IGBT的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)當(dāng)設(shè)置柵極壓限幅電路；另外由于焊接電源設(shè)備工作環(huán)境非常惡劣，在運(yùn)輸或振動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)使柵極回路斷開(kāi)，這時(shí)如果電源設(shè)備開(kāi)始工作，則隨著集電極電位的變化，由于柵極與與集電極和發(fā)射極之間寄生電容的存在，使得柵極電位升高，集電極－發(fā)射極間有電流流過(guò)。這時(shí)若集電極和發(fā)射極處于高壓狀態(tài)時(shí)，會(huì)使IGBT發(fā)熱，極易引起IGBT損壞。為防止此類(lèi)情況發(fā)生，可在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只50~100KΩ的電阻，此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)身極。如圖3所示。

圖3  IGBT的柵極保護(hù)

3.2　集電極與發(fā)射極的過(guò)壓保護(hù)
弧焊逆變電源進(jìn)入焊接狀態(tài)時(shí)，輸出端即從空載轉(zhuǎn)入接近短路狀態(tài)，這時(shí)要求輸出電流必須處于所需要的恒定狀態(tài)。理論上，采用恒流閉環(huán)控制系統(tǒng)即可以控制電源的短路電流，但實(shí)際短路時(shí)，輸出電壓很低，即IGBT的工作脈寬很窄，才能保證輸出電流恒定，這就造成了IGBT在很短的導(dǎo)通期間，吸收電容未分放電而馬上關(guān)斷，且因分布電感和漏感的影響，IGBT的關(guān)斷是在承受較高的反壓下進(jìn)行的，極易使IGBT損壞，為了使IGBT 關(guān)斷過(guò)電壓能得到有效的抑制并減少關(guān)斷損耗，需要給IGBT主電路設(shè)置關(guān)斷緩沖吸收電路。IGBT的關(guān)斷緩沖吸收電路分為充放電型和放電阻止型，從吸收過(guò)電壓的能力上來(lái)說(shuō)，充放電型效果較好，所以可在弧焊逆變電源中的IGBT過(guò)壓保護(hù)緩沖電路可采用圖4所示緩沖吸收電路：

圖4  IGBT過(guò)壓保護(hù)緩沖電路

在此硬件電路的基礎(chǔ)上，結(jié)合單片機(jī)的控制系統(tǒng)可檢測(cè)輸出電壓低于某一設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)便認(rèn)為負(fù)載電弧是處于短路狀態(tài)，這時(shí)單片機(jī)便對(duì)IGBT的最小脈沖寬度進(jìn)行限制，以保證吸收電容有足夠的放電時(shí)間，從而降低IGBT的關(guān)斷反向電壓。同時(shí)為保證輸出電流恒定，單片機(jī)在判斷輸出為短路時(shí)將逆變器的等脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）變?yōu)轭l率調(diào)節(jié)控制（PFM），即脈沖分頻控制，輸出電壓越低，輸出脈沖的頻率越低。其單片機(jī)程序過(guò)程如圖5所示：

這與傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單限流或直接關(guān)閉IGBT的控制方式有本質(zhì)的區(qū)別，它是利用單片機(jī)的智能性改變其工作方式來(lái)保護(hù)IGBT的安全，從而可靠的保證IGBT的安全。
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3.3　過(guò)流保護(hù)
過(guò)流對(duì)IGBT來(lái)說(shuō)，是產(chǎn)生原因最復(fù)雜、發(fā)生次數(shù)最多、損壞概率最高的事件，也是國(guó)內(nèi)弧焊逆變電源容易損壞的主要原因。IGBT正常工作時(shí)，導(dǎo)通期間的電流包括開(kāi)通時(shí)的尖峰、折算到原邊的焊接電流和關(guān)斷時(shí)的拖尾電流。在設(shè)計(jì)IGBT的過(guò)流保護(hù)時(shí)，主要可采取以下三條措施：首先選擇IGBT器件時(shí)，使其最大工作電流只占IGBT I_CM的30%左右，其目的就是要使IGBT的安全工作區(qū)盡可能在一些，以避免IGBT的擎住效應(yīng)；其次針對(duì)元器件失效等偶發(fā)性故障，如輸出失控、IGBT損壞、功率變壓器擊穿、短路、高頻整流快恢復(fù)二極管損壞引起的過(guò)電流行為，應(yīng)設(shè)計(jì)保護(hù)電路為立即保護(hù)型。即保護(hù)電路動(dòng)作后，切斷供電電源，停止逆變電源工作；最后，對(duì)元器件并沒(méi)有失效，而是由于某種其它原因如負(fù)載突然加大造成的過(guò)流，可嘗試采用一種慢降柵壓的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)如圖6：

圖6  慢降柵壓電路

正常工作時(shí)，因故障檢測(cè)二極管VD1的導(dǎo)通，將a點(diǎn)的電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管VZ1的擊穿電壓以下，晶體管VT1始終保持截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流或短路故障時(shí)，V1上的u_ce上升，a電壓隨之上升，到一定值時(shí)，VZ1擊穿，VT1通，b點(diǎn)電壓下降，電容C1通過(guò)電阻R1充電，電容電壓從零開(kāi)始上升，當(dāng)電容電壓上升約1.4V時(shí)，晶體管VT2開(kāi)通，柵極電壓u_ge隨電容電壓的上升而下降，通過(guò)調(diào)節(jié)C1的數(shù)值，可控制電容的充電速度，進(jìn)而控制u_ge的下降速度；當(dāng)電容電壓上升到穩(wěn)壓二極管VZ2的擊穿電壓時(shí)，VZ2擊穿，u_ge被鉗位在一固定的數(shù)值上，慢降柵壓過(guò)程結(jié)束，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光耦輸出過(guò)流信號(hào)傳送至單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警并開(kāi)始運(yùn)行延時(shí)程序。如果在單片機(jī)的延時(shí)過(guò)程中，故障信號(hào)消失了，則a點(diǎn)電壓降低， VT1恢復(fù)載止，C1通過(guò)R2放電，d點(diǎn)電壓升高，VT2也恢復(fù)截止，u_ge上升，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)，單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位。如果單片機(jī)在延時(shí)結(jié)束后，故障信號(hào)仍存在則由單片機(jī)切斷所有IGBT的輸入脈沖，設(shè)備停止工作，此時(shí)要通過(guò)手動(dòng)復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。這種電路既能保護(hù)逆變電路和IGBT的安全，又不會(huì)在瞬時(shí)過(guò)流時(shí)中斷逆變電源工作所以是一種非常有效的保護(hù)方式。

3.4　過(guò)熱保護(hù)
在焊接工作時(shí)由于工作環(huán)境惡劣，流過(guò)IGBT電流很大，并且開(kāi)關(guān)頻率較高，所以器件的損耗也較大，如果熱量不能及時(shí)散掉，使結(jié)溫T_j超過(guò)T_jmax，則會(huì)引起IGBT的損壞，在熱設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮在短路和過(guò)載時(shí)，IGBT也不能過(guò)熱而損壞。適當(dāng)加大散熱系統(tǒng)是保護(hù)焊接電源正常工作的必要條件，但由于散熱系統(tǒng)不可能無(wú)限制擴(kuò)大，所以要在靠近IGBT處安裝一溫度繼電器來(lái)檢測(cè)IGBT的工作溫度。當(dāng)溫度超過(guò)所設(shè)定的最高溫度時(shí)切斷IGBT的輸入，保護(hù)其安全。

4　結(jié)語(yǔ)

本文介紹了利用硬件保護(hù)電路并結(jié)合單片機(jī)的程序?qū)『改孀冸娫粗蠭GBT進(jìn)行保護(hù)的方法和措施。該方法不僅從硬件電路上設(shè)計(jì)了可靠的保護(hù)電路，而且還利用單片機(jī)的程序來(lái)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行判斷后選擇工作方式來(lái)間接對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)，這樣不僅保護(hù)了IGBT的安全還保證了該電源即使在惡劣的環(huán)境的中也能可靠穩(wěn)定的工作。所以在實(shí)際應(yīng)用中只要我們考慮到IGBT的不同容量、型號(hào)并參考以上方法采取相應(yīng)的保護(hù)措施就可以達(dá)到滿(mǎn)意的效果。