正负脉冲电源用双重保护电路的研究

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1、正负脉冲电源用双重保护电路的研究

2、第1摘　要：针对正负脉冲电源中对IGBT保护的要求，提出并分析了一种廉价而简洁的、适用于各种保护电路的控制电路，给出了设计时需要注意的问题。该控制电路对于实际操作中可能遇到的过载、瞬时过流、短路等现象能进行很好的监测和控制。关键词：正负脉冲电源；控制电路；瞬时过流；短路；采样电流在材料保护领域，等离子体表面处理、阳极氧化、微弧氧化、脉冲电镀等新技术正在国内兴起。工业生产需要的特种电源以大功率正负脉冲电源为先进的一种。电源的研制过程中，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)始终是功率开关器件的首选。他集MOSFET的输入

3、阻抗高、驱动容易、开关速度快、无二次击穿和GTR的通态压降低、高压大电流化容易等优点于一体，是目前脉冲电源中的主要功率开关器件。IGBT的可靠工作是脉冲电源可靠工作的基础，在对IGBT的保护中，过流保护是关键技术之一，脉冲电源能否稳定、可靠地工作，很大程度上取决于过流检测保护电路设计的优劣。1　典型控制方案1．1　IGBT的失效机理　　IGBT在短路和过流时，如不迅速加以保护就会导致器件失效，其主要原因有：超过热极限、发生擎住效应、器件过压击穿等。　　(1)超过热极限　器件短路时的功耗将导致器件芯片温度迅速上升。若温度超过250℃，由于芯片材料

4、硅的本征化将会导致IGBT迅速热击穿而损坏。(2)发生擎住效应　IGBT结构上存在寄生晶闸管，在极大的短路电流下关断IGBT时极易发生动态擎住导致器件损坏。　　(3)器件过压击穿　大电流下关断IGBT时极大的dI/dt在回路电路中产生的关断电压尖峰有可能使IGBT因雪崩击穿而损坏。1．2　IGBT的特性曲线　　图1是IGBT短路时的输出特性。他说明IGBT的短路电流Isc随电源电压VCC增加而增加，同时也随栅极驱动电压VGE增加而增加，因此栅极驱动电压VGE的幅值不宜过大。500)this.style.ouseg(this)">　　图2是IGB

5、T的允许短路时间tSC，短路电流Isc与栅极驱动电压的关系，由图2可知，当IGBT短路时，及时减小VGE可以使ISC减小和延长。　500)this.style.ouseg(this)">　　图3是IGBT的饱和导通压降VCES和集电极电流Ic的关系。该图表明，VCES和Ic近似成线性关系，因此，可以通过检测集电极电位来判断IGBT是否过流。500)this.style.ouseg(this)">1．3　常用检测电路　　根据以上IGBT的3个特性曲线，利用通过检测集电极饱和压降来判断IGBT是否过流这一原理，可以派生出很多检测电路，文献［1～3］

6、中均有介绍。其中较为常见的电路如图4所示［1］。500)this.style.ouseg(this)">　　此电路由一比较器实现。图4中D为高反压快速恢复二极管，电位器358为反向放大器，LM324为比较器，PT为保护电路的控制信号(高电平有效)。这里，比较器选择的依据是：由图2中IGBT的驱动栅压VGE与Isc和允许过流时间tsc的关系知，当VGE＝15V时，该器件承受250A的过流冲击时间仅为5μs。如果在过流开始时，将栅压降低到10V，则承受过流的时间可延长到15μs，并且过流幅值也由原来的250A下降到100A。当然，由于VGE的降低，

7、将导致IGBT导通压降升高，这将使管子的瞬时热损耗急剧增大。为了防止热损坏，这个时间应足够短，不允许因此而引起热损坏。事实上，过流保护电路的整个响应时间通常小于10μs。因此，选用廉价的LM324基本可以满足设计要求，他的具体指标如下：单电源供电，工作电压3～30V，输入失调电压低于5mV，输入到输出传输时延5μs，100dB带宽大于1MHz。500)this.style.ouseg(this)">2．3　实现功能这里以反向采样电流I2这一支路为例进行说明。　采样电流I2经LM358反向放大后在1脚输出，这里分别记LM358的管脚1，2，3，5

8、，6的电压为V1，V2，V3，V5，V6，从图中显然有V1＝V2＝V6。这里V3为瞬时过流保护控制点，V5为持续过流保护控制点。　　当V2＜V3时，即没有过流信号出现，此时比较器1脚，7脚输出高电平，D1，D2截止，控制电路不工作。　　当V3＜V2＜V5时，即有瞬时过流信号出现，比较器1脚输出低电平，7脚仍是高电平，D1导通，D2截止，即只有第一级比较起作用，此时，Q1，Q5导通，LED发光，PT为高电平，启动保护电路。在这种情况下，主回路每瞬时过流一次，LED便亮一下，而后熄灭。也就是说，当过流信号介于比较点V3和V5之间时，可以实现过流一次

9、保护一次的功能。　　当V2＞V5时，即有持续过流信号出现(如短路时)，比较器1，7脚为低电平，D1，D2导通，两级比较都起作用，但起决定性作用的还是第