控制保护电路（精选八篇）
控制保护电路 篇1
液压支架电液控制自动化是综采工作面实现无人值守工作的关键技术。由于井下环境恶劣,存在各种干扰信号,给电液控制器的运行带来很多问题,甚至产生误操作,经常使电液控制器发生掉电现象[1,2]。此时,需要保存大量的实时信息,待电液控制器重新上电后,把保存的数据传给CPU,使电液控制器恢复掉电前的状态继续运行。否则,电液控制器重新上电后,很可能无法正常运行,造成时间、生产上的极大浪费。特别是可能造成运行错误,导致系统瘫痪或可能发生其它故障。本文的电液控制器采用C8051F020单片机为CPU,从软、硬件两个方面分析掉电检测和数据保护技术,设计了一种实现掉电检测和实时存储数据的电路,有效保证了电液控制器正常可靠的运行。
2 掉电检测硬件设计
2.1 复位电路
为使复位芯片与C8051F020单片机供电电压匹配,选用MAXIM公司的复位芯片MAX708SESA,其供电电压为3.3V。复位电路由复位按钮(SW1),R1,R2,C1和复位芯片MAX708SESA组成见图1。电源经过R1与MAX708SESA的MR端相连,MR端经R2,SW1接地;另一路,MR端经C1接地,MAX708SESA的RST端与C8051F020的RST端相连。复位电路既可手动复位,亦可上电复位。手动复位通过按下SW1,置MAX708SESA的MR端为低电平,从而在RST端产生复位信号给C8051F020,使电液控制器复位。上电复位过程为:根据电容两端电压不能突变,电液控制器上电瞬间,置MAX708SESA的MR端为低电平,在RST端产生复位信号给C8051F020,使电液控制器复位。在上电复位期间,为了使电液控制器的电源稳定,可以调整R1和C1,使复位时间达到100ms。
2.2 掉电检测电路
为了在掉电前可靠地转移需要保护的数据,电液控制器必须在电源电压跌落到某一数值之前有足够的时间把电液控制器当前的有效数据复制到外扩RAM中。
掉电检测电路见图1,由R3和R4分压后,与MAX708SESA的PFI端相连,MAX708SESA的PFO端与C8051F020的
3 数据保护硬件设计
在电液控制器运行过程中出现掉电故障后,待再次上电时电液控制器能恢复掉电前的状态继续正常运行,必须保存在掉电前电液控制器的有效数据。数据保护有多种实现方法:1)采用E2PROM或快擦写存储器扩展外部数据存储器,可作数据保护芯片。这些芯片价格便宜,电路连接简单,编程专用性强,但擦写时间长(为ms级),擦写次数有限,适用于对数据存取速度要求不高、存取次数不多的单片机应用系统;2)采用带外接后备电源的RAM芯片作数据保护芯片,这种方式电路分散,体积大,而且需要经常更换电池,现已很少采用;3)采用片内自带电池的专用数据保护芯片,将专用数据保护电路及微型锂电池集成于一个芯片内,电路连接简单,可靠性高,并且外电路及编程与相应RAM芯片完全兼容,是理想的数据保护方式[3,4]。
本文设计的掉电检测和数据保护电路,如图2所示。数据保护芯片选用MAXIM公司的DS1244W-120, 其供电电压为3.3V, 与C8051F020供电电压匹配。DS1244W-120为全静态非易失RAM(NV SRAM),有256k字节(按照8位、32k字排列),擦写时间为ns级,内置隐含实时时钟,且自带锂电池及控制电路,控制电路连续监视VCC是否超出容差范围,一旦超出容差,锂电池便自动切换至供电状态,写保护将无条件使能、以防存储器和实时时钟数据被破坏。数据保护电路由DS1244W-120和地址/数据锁存器(74HC373)组成。DS1244W-120的数据总线和地址总线低8位共用C8051F020的P7端口,其中地址总线低8位通过74HC373与C8051F020的P7端口相连,地址总线高7位与C8051F020的P6端口相连,DS1244W-120的RE,WE,ALE端分别与C8051F020的P4端口的RD,WR,ALE相连,其使能端(CE)与C8051F020的P2.5端口相连。
掉电数据保护时序图如图3所示。掉电数据保护过程为:电液控制器在正常工作,突然由于某种原因,电液控制器的电源电压下降,并降到2.9V时,使PFI小于1.25V,MAX708SESA的PFO端变为低电平,这时认为系统正在发生掉电,PFO端给C8051F020的INT0端送掉电中断信号,进入中断服务程序,置DS1244W-120的
CE,WE端为低电平,将C8051F020中所要保护的重要数据写到DS1244W-120,从而使得掉电后CPU内部RAM现场实时数据得到了保护。
4 电检测和数据保护软件设计
软件实施方法如下:当电液控制器的掉电状态和数据存入专用数据区时,在专用数据区前、后各开辟一定字节空间作为“掉电标志”,写入专用标志字。其作用有:1)电液控制器重新上电后,通过“掉电标志”识别是初次上电还是掉电后恢复上电,以便程序选择不同的入口;2)通过读取“掉电标志”,可以快速、准确地读取RAM中的掉电数据;3)校对第2个“掉电标志”中的专用标志字,检查掉电数据是否完好,以准确判断是否继续执行未完成任务。
具体软件主要包括主程序和掉电中断处理程序,各程序流程图如图4所示。图4a为电液控制器在正常运行中突然掉电,致使C8051F020响应中断,进入掉电中断程序,首先保护现场,再判断有无数据要保存。若无数据要保存,恢复现场、中断返回等待系统复位;若有数据要保存,则设置“掉电标志”并保存“掉电标志”,再把需要保护的数据和第2个“掉电标志”存储到DS1244W-120中,然后恢复现场、中断返回等待系统复位。待电液控制器重新上电后,主程序执行过程如图4b所示,先判断RAM芯片有无“掉电标志”。若无“掉电标志”,则进入主程序使系统正常运行;若有“掉电标志”,读
取掉电标志和上次掉电的有效数据,再判断有无第2个“掉电标志”,以确定保存掉电数据是否完好。根据现场需要,判断是否执行未完成任务,接着清除RAM中的掉电标志和有效数据以待下次使用。最后,进入主程序开始正常运行。
根据上述电液控制器掉电检测和数据保护电路的软、硬件设计,在实验室做了相关实验,实验结果如图5所示。
图5a所示为电液控制器掉电瞬间的运行状态存放在内部RAM的40H~5FH单元中,图5b为电液控制器掉电瞬间的运行状态被存放到XRAM的0050H~0073H单元中。经比较,除去掉电标志字“A5”“5A”外,XRAM和内部RAM数据完全一致,表明本电路能实时、准确保存电液控制器的掉电状态和数据。
5 结论
本文针对煤矿井下电液控制系统由各种原因引起掉电而造成系统瘫痪或可能发生其它故障的问题,设计了一种基于C8051F020电液控制器的掉电检测和数据保护电路,实现了对突发掉电的实时监测和掉电后对电液控制器运行状态及时、准确的存储,提高了电液控制器运行的安全性和可靠性。实验结果表明,该电路连接简单,运行可靠,实时性好,亦可应用到其他单片机系统。
参考文献
[1]张命林,罗跃勇.液压支架电液控制系统使用中的问题及对策[J].煤炭科学技术,2008,36(9):57-58.
[2]伍小杰,于月森,彭利明,等.液压支架电液控技术的现状及展望[J].煤炭科学技术,2009,37(1):25-29.
[3]高东林.单片机系统可靠掉电保护的实现[J].测控技术,2002,21(1):62-64.
IGBT驱动及短路保护电路研究 篇2
关键词：短路保护 驱动电路 IGBT
ICBT是一种具有良好的综合性能的功率开关器件，因此被广泛的应用在了各种变流装置中。由于以往的设计者往往只是对缓冲电路和主回路的设计比较关注，而将其短路保护电路以及IGBT驱动忽视了，这样就导致整机的可靠性在很大程度上受到了这些问题的影响。为了能够有效的解决上述的问题，本文论述了如何对短路保护电路和IGBT驱动进行选择和设计，笔者在此IGBT的驱动电路进行了分析，并对其短路保护功能进行了优化。
1 IGBT在保护和驱动电路方面的要求
1.1 IGBT及其dν/dt保护和短路保护分析
①IGBT的dν/dt保护主要指的是在如果具有过高的集射极间电压变化率，也就是具有较高的dν/dt，就有可能会导致出现IGBT发生动态锁定效应，在严重的情况下还会将IGBT击穿。不仅如此，因为级间等效电容的存在，如果dν/dt过大还会对IGBT造成进一步的影响，致使器件误导通的现象出现。针对这种情况可以使用缓慢降低栅极电压的方式以及对关断缓冲电路进行合理的设计，就能够使dν/dt得到有效降低[1]。②当短路发生时，在IGBT的还没有出现实质性损坏时就对其进行保护关断，就是所谓的IGBT的短路保护。同时在IGBT的短路安全工作区内对I一V在保护关断时的运行轨迹和短路电流进行限制。除了会导致产生热失效之外，器件的锁定效应和电压击穿等现象也与短路电流有着密切的关系。其主要原因在于IGBT的内部存在寄生晶闸管结构，当大于擎住电流的短路电流出现时，IGBT就会出现锁定效应，并丧失了栅控关断能力。采用对短路电流的幅值进行限制的方式就能够对锁定效应的发生起到有效的预防作用。
1.2 IGBT对驱动电路的基本要求分析
IGBT属于一种功率开关器件，因此整机的性能在很大程度上受到了IGBT的工作状态的影响。因此对合理的驱动电路进行选择或者设计就具有十分重要的作用，一般来说，理想的驱动电路必须要保证具备以下几项功能[2]。
①驱动电路必须要将正反向栅极电压VGE提供给IGBT。器件VCES会随着正向VGE的增高而逐渐的降低，这样对器件的通态损耗就会越为有利。然而为了能够对短路电流的幅值起到有效的限制作用，一般需要在20V的范围内对VGE进行控制[3]。②驱动电路必须能够有效的隔离输出和输入信号，而且对驱动电路内部的信号传输的延时进行控制，最好能够达到无延时[4]。③理想的驱动电路在出现过流故障或者短路故障的时候必须要具备短路保护的功能。
2 IGBT驱动和电路保护的措施
笔者以电路保护方案和IGBT驱动为基础，设计了IGBT驱动电路，其具有比较齐全的短路保护功能，具体情况见图1。
图1 IGBT驱动及短路保护电路方案
对输出和输入信号进行隔离的任务可以由其高速光藕6N137来完成，只有75ns的信号传输延时，因此在高频应用场合特别适用。动脉冲功率放大环节主要由V2、V3、V4共同构成。短路信号检测环节主要由D2、R6、Vl、R4等共同构成，快恢复二极管被应用在了其中的D2中，延时缓降栅压功能以及短路信号门限电压比较功能主要是Al、A2、V5等共同实现的，延时封锁输入信号功能主要是由CD4081、V7、LMC555以及V6等实现的[5]。
2.1 分析正常的工作状态
当高电平脉冲信号通过控制电路送来时，V3和光耦6N137可以对其导通，V2、V1进行截止，驱动电路将+l5V的栅极驱动信号提供给IGBT。如果控制电路将低电平脉冲信号送过来，光耦6N137关断，V2、V1进行导通，V4导通，驱动电路将-5V的栅极驱动信号提供给IGBT。
2.2 短路故障状态分析
当短路电流高于设定值时，就可以翻转A1，输出高电平。V5经过2.5μs的延时能够获得导通，从而缓慢的降低B点的位置。此时会有不断下降的栅极驱动电压出现在IGBT中，从而有效的延长了IGBT对短路电流的耐受时间，而延时缓降栅压功能就在这部分电路中实现了。
在成功的导通了V5之后，就可以截止V6，此时如果能够将短路信号进行7μs的维持，则可以翻转LMC555翻转，并输出高电平，从而成功的导通V7。在进行输出信号封锁时可以使用门4081，从而使IGBT的保护关断。如果LMC555在双稳定的工作状态下被翻转，就会将高电平输出，从而就会始终封锁输入信号，并使使用者感到强迫作用，并及时关机，采取有效的措施来排除短路故障。如果在翻转LMC555之前短路故障就已经解除了，则B点电位就会朝着+15V实现自动恢复。在关断IGBT的情况下Vl会导通，这样就使得IGBT导通状态与短路保护电路之间实现了同步。选择恢复二极管为D2主要是为了防止对IGBT进行关断时集电极上的高电压窜入驱动回路中。
高速电压比较器LM319在Al、A2中得到了应用，这样就能够使保护电路的反应速度得以提升；对VZl的稳压值进行调整能够对短路电流門限值进行调节；R9和C4是决定降栅压动作的延迟时间的主要参数；VZ5和C5是决定输入信号的封锁时间的主要参数；对缓降栅压斜率进行控制的电容器是C3，通过对C3参数的调整能够使栅极电压下降斜率得到有效改善。
目前在新开发的等离子喷涂电源中已经成功的运用了该电路，其在恶劣的环境下也具有良好的运行状态。
3 结语
①该驱动电路具有可靠和简单的特点，而且具有较小的输入输出信号传输延时，其选择了-5V以及+15V这两种方案。②其优点在于能够实现延时缓降栅压功能和输入信号的封锁功能，以及短路信号检测功能等，与此同时，其还可以调整封锁输入信号延迟时间、缓降栅压动作延迟时间以及引起保护电路动作的短路电流门限值。IGBT如果在大电流的情况下就可以配合使用LEM电流传感器以及短路保护电路。③该驱动电路需要配备较多的直流电源。
参考文献：
[1]姚文海，程善美，孙得金.大功率IGBT模块软关断短路保护策略[J].电气传动，2014（09）.
[2]陈永真.IGBT短路保护的控制策略分析[J].电气传动，2010（08）.
[3]刘革菊.二代大功率IGBT短路保护和有源钳位电路设计[J]. 山西电子技术，2013（01）.
[4]尹华，刘锐.PWM型DC/DC变换器过流/短路保护电路的设计[J].微电子学，2008（01）.
[5]余琳，黄康，王海军，王剑平，盖玲.绝缘栅双极晶体管串联关键技术[J].强激光与粒子束，2013（05）.
控制保护电路 篇3
1 联锁保护电路
如图1,DX系列10KW发射机联锁保护电路由V121、V122、V123、V124、V113、D74C、D74D、D72A、D72B、D73A、D73B、D73C、D73D、58D等集成电路及相关元件组成。该联锁保护电路的功能是:当出现门联锁、外联锁或联锁电路的+30VDC工作电源出故障时,向状态指示灯提供输出,在前面板上产生红色发光二极管指示,在外部接口部分产生逻辑低的输出信号,并且输出第一类故障信号,将发射机关掉。当清除了联锁故障且前面板状态指示灯又变绿后,必须手动才能重新开机。示灯又变绿后,必须手动才能重新开机。
联锁保护信号来自机门联锁控制(简称门联锁)、机器外部附件联锁控制(简称外联锁)和联锁线(又称联锁串)控制电路。
1.1 门联锁
1.1.1 门联锁信号的形成
DX-10kW机的机箱门上装有两个行程开关S1、S3,每个行程开关都有2个常开触点,两个行程开关的常开接点串接。当两个门都关闭时,行程开关常开接点闭合接通,将直流稳压板A30板故障输出端接地,该低电平表示门联锁状态正常。当某一机箱门打开时,对应常开接点断开,+30VDC通过直流稳压板A30上的电阻R13、R14输出一个高电平,送到控制板故障端,该高电平表示门联锁状态失常。
1.1.2 门联锁逻辑
第一,门关闭。这时门联锁行程开关常开接点接通,晶体管V121基极通过R116接地,管子截止,集电极输出高电平。
第二,门没全关闭。对应的门联锁行程开关常开接点没接通,V121的基极回路接入高电平,V121饱和导通,其集电极为低电平,电容器C130通过R132、V121和V124放电。当其电压低于阈值时,D74C-6输出高电平,从而形成0.15秒的延时。这个高电平一路去触发单稳态触发器D72A,D72A输出高电平;另一路直接送到2输入或非门D73B,在D72A暂稳态期间,D73B的输出都是高电平。也就是说,D73B输出一个脉冲宽度为0.5秒的负脉冲,作为门联锁故障一L。该低电平一路送到显示板用于门联锁故障显示,使指示灯变成红色;另一路送到D73C,经倒相后输出高电平,并经D58D和D58C输出,产生一个和一类故障相同的锁存的关机逻辑程序。因为该信号被锁存,所以当故障消除后,必须人工操作才能重新开机。门没全关闭时,V121、D74C-5、D73C-10的波形图如图1(c)所示。应当指出的是,这个逻辑时序波形图是针对瞬时联锁故障而画的。当联锁故障持续时间大于0.5秒时,D73C-10所输出的正脉冲的持续时间也随之增长。脉冲展宽器是专为瞬时联锁故障而设的。R120、R132给电容器C130逐步充电,反相斯密特触发器D74C(74LS14)输入端5脚的电压随之升高,当输入电压达到阈值时,D74的输出端6脚变低电平,该低电平送到D72A-2。D72的型号是74LS423,是单稳态触发器,用作脉冲展宽器,脉冲宽度取决于CEXT端所接RC元件的A值。本电路A值为0.51s,D72的CLR端都通过R134接到+5V电源为高电平,A端接地为低电平,D72不翻转,D72-13(Q端仍保持低电平,输入到2输入或非门(74LS02) D73B的两个输入端5、6脚的信号都是低电平,73B-4是高电平。这个高电平分二路,一路由X7-37送到显示板A32用于门联锁正常状态的显示;另一路送到D73C输入端,D73C两个输入并接,用作反相器。因此,D73C-10输出低电平,或门D58D-11也输出低电平。
联锁故障时间无论是长还是短,输出正脉冲的宽度至少是0.5s,以便完成关机的整个程序。此外,有时也在R132上并有一个二极管,有的没有并联。这个二极管影响到D74C-5在T1以后的波形,并有二极管的,充电快、波形陡;没并二极管的,充电时间常数和放电时间常数接近。
内联锁、外联锁逻辑电路相似,整个电路大体可以分成5个部分:联锁逻辑信号形成、输入电路、延时电路、脉冲展宽电路、输出电路。
1.2 外联锁
外联锁是指与假负载、并机工作的发射机、射频转换开关等与射频功率有关的联锁电路。比如,用假负载调机时,一个先决条件是确保其冷却装置正常运转。为此,设置了一个外部联锁接点并引到外接口单元。
1.2.1 外联锁信号的形成
外联锁信号形成电路见图2下半部分。外联锁接点A28和外联锁交流接触器K3的线包(7、8)串联,两端所加电压,一端是+30VCD加24VAC;另一端为+30VDC。当外联锁接点闭合时,加在K3线包上的实际电压为24VAC。它就是K3线包的额定工作电压,K3吸合,常开接点(4、6)接通,把X4-4点接地。该点为低电平,当外部附属设备运行不正常时,外联锁接点开路,K3线包失电,常开接点(4、6)不通,X4-4点把+30VDC经R12、R11送到控制板,其逻辑电平为高电平。
1.2.2 外联锁逻辑关系
第一,外联锁接点接通。如图1(a),这时,晶体管V113基极接地,V113截止,集电极为高电平,电容器C131通过R122、V18迅速充电,D74D-9的电位很快升到+5V,D74D-8反相为低电平。该电压分送D72B和D73A的输入端,D72不翻转,输出仍是低电平。D73A的两输入端都是低电平,或非后的输出为高电平,一路送到显示板,用绿色灯显示外联锁正常,另一路送到D73D输入端,经反相后D73D-13输出低电平,或门D58D-11也输出低电平。
第二,外联锁接点不通。此时,控制板为高电平故障输入,晶体管V113饱和导通,V113集电极输出低电平,V18反偏,C131通过R133向V113放电,D74D的输入电压逐渐降低,当低于阈值时,D74D翻转,输出高电平,放电时间产生0.15秒的延时。D74D-8的高电平分送D72B和D73A的输入端,与内联锁电路相似,D73A输出一个宽度不短于0.5秒的负脉冲,用于产生一个和一类故障相同的锁定的关机逻辑程序,并在面板上给出红灯显示。同样,外联锁故障消除后也需人工操作重新开机。
现在分析0.15秒延时的功能。假定发射机外电电压瞬时跌落,外联锁继电器K3因失电而分断,常开接点(4、6)不通,由于联锁逻辑电路的+5V直流电源电容器的储能功能,+5V电压在停电后还需维持一小段时间。这时,K3失电引起的常开接点(4、6)分断与外联锁接点不通的功能相同。上面所分析的逻辑过程仍将重演一遍,产生一个锁定的关机逻辑程序,必须人工操作后才能重新开机。实际上,这是不必要的误保护。为了防止这种误保护,电路中设置了0.15秒的延时,使+5V电源里的电容器在这0.15秒内基本放完电,D74D及后面的电路就不会误保护了。这个延时时间是由+5V电源的放电时间决定的。如果在检修时无意中把+5V电源的滤波电容加大了,误保护就有可能借此还魂。
1.3“联锁串”
门联锁和外联锁故障时,逻辑高电平的形成都依赖于+30VDC,如果+30VDC失常了,这个逻辑高电平就靠不住了。为了在这种情况下也能正常保护设备,设置了“联锁串”电路。
1.3.1“联锁串”信号的形成
“联锁串”是门联锁继电器K4和外联锁继电器K3上的一串常开接点,也称联锁线,电路见图1 (a)。如果K3、K4通电吸合,“联锁串”上的常开接点闭合,联锁线输出+30VDC高电平并送到控制板的故障端。如+30VDC、K3、K4出现故障,则故障端为低电平。
1.3.2“联锁串”逻辑状态
从图1(a)可以看出,“联锁串”和门联锁共用延时、脉冲展宽和输出电路。因此,发生联锁串故障时,所输出的工作命令及信号和门联锁故障时相同。当发生门联锁故障时,K4不动作,联锁串也是输出低电平;当外联锁出现故障时K3不动作,“联锁串”还是输出低电平。
第一,联锁串正常。如图1(a)和图2,此时,故障端为高电平,+30VDC经R117和(R121并联V123输入阻抗)分压送到V123基极,V123饱和导通,其集电极为低电平,V124截止,相当于开路,对共用的门联锁逻辑工作情况不影响。
第二,联锁串失常。设+30VDC电源失常,比如没有输出,则门联锁和外联锁故障逻辑高电平不复存在,无法使延时、展宽和输出电路动作,未能起到保护作用。但是,+30VDC消失后,联锁串送到V123基极的正电压也不存在,V123截止,集电极为高电平,V124导通饱和,和门联锁故障一样,延时、展宽和输出电路相继动作,输出故障指示和关断发射机的工作命令。
V122是晶体管禁止门,其功能是防止外联锁出现故障时,通过联锁串启动后面和门联锁共用的延时,展宽、输出电路,发出门联锁故障工作命令和指示,造成混乱。当外联锁出现故障时,除了产生外联锁故障逻辑高电平;同时,也因为K3失电,使V123基极处于地电位,V123截止,输出高电位。加设V122后,外联锁故障高电平一出现在V113基极,也将同时出现在V122的基极,使V122饱和导通,将V122集电极锁定为低电平,V124仍是截止,后续电路就不会误动作。
2 结语
通过控制器故障保护电路、联锁保护输入输出信号和联锁保护基本电路的分析,更深入的了解了发射机控制器的工作原理。对有DX系列中波发射机台站的同仁,在维护控制器上起一定参考作用;同时,有利于提高我们在发射机控制器上的故障分析和故障处理的能力。
摘要：DX系列中波发射机把故障按处理方式分成六类,其监测、显示和工作命令下达在显示器单元,而故障的执行部分在控制器。重点介绍了联锁保护输入输出信号和联锁保护基本电路两方面。
关键词：DX发射机,控制器,联锁保护电路
参考文献
[1]无线局.广播电视发送与传输.
控制保护电路 篇4
关键词：提速道岔,电路,切断
1断相保护器 (DBQ) 电路
说道岔断相保护器 (DBQ) , 它的工作原理如下 (见图1) :TM77文献标识码A文章编号1674-6708 (2013) 9
1) 由于S700K提速道岔平时不动作, 所以断相保护器的三个变压器输入线圈 (A相、B相、C相) 中无电流通过, 桥式整流堆也没有直流输出, 所以BHJ处于落下状态;
2) 当S700K提速道岔动作时, 如果三相负载工作正常, 则三个变压器的输入线圈 (A相、B相、C相) 中有电流通过, 在变压器II次侧得到感应电压后, 串联叠加送入整流堆的交流输入端, 经桥式整流后, 得到直流电源, 使断相保护继电器 (BHJ) 处于吸起状态;
3) 当发生任何一相断相时, 缺相的变压器I次侧处于开路状态, 其阻抗为无穷大, 而另外两相电源由于三相缺少了一相, 负载电流中的幅值也将变小, 相位也发生了变化, 与其对应的变压器II次侧感应电压幅值和相位也就发生了变化, 使三个变压器II次侧串联叠加输出电压基本趋于零, 故桥式整流堆的直流输出也为零, 使断相保护继电器 (BHJ) 失磁落下。
可见, 断相保护继电器 (BHJ) 平时处于落下状态, 当电机正常动作期间, 它处于吸起状态, 直到1DQJ断开电路为止;而当发生断相等故障时, 断相保护继电器 (BHJ) 也将处于落下状态。
2总保护继电器 (ZBH) 电路
由图2可以知道, 平时1保护继电器 (1BHJ) 和2保护继电器 (2BHJ) 都落下, 所以总保护继电器 (ZBH) 也处于落下状态;而当道岔电机动作时, 1BHJ和2BHJ分别吸起, 而ZBH也励磁吸起, 同时由自身接点接通总保护继电器 (ZBH) 自闭电路, 只有当道岔正常转换到位, 1BHJ和2BHJ都落下时, ZBH才会落下。
3切断继电器 (QDJ) 电路
由“图3”分析, 我们可以知道:当道岔静止状态下, 1BHJ和2BHJ都落下, 使切断继电器 (QDJ) 吸起;电机动作时, 1BHJ和2BHJ分别吸起, ZBH也吸起后, 切断继电器 (QDJ) 仍将保持吸起状态, 即使在1BHJ和2BHJ未同时吸起、ZBH也没有吸起时, 阻容盒RC部分也能同时放电使切断继电器 (QDJ) 缓放而不至于瞬间落下, QDJ吸起后由其自身第6组接点和ZBH的第4组接点沟通其自闭电路, 当道岔转换到位, 两个BHJ分别落下, ZBH也将落下断开QDJ的自闭电路, 但由于两个BHJ已经恢复落下状态, 所以切断继电器 (QDJ) 仍将吸起。
由此可知:
1) 切断继电器 (QDJ) 在道岔正常情况下应该一直处于吸起状态;
2) 只有在发生 (A相、B相、C相) 断相故障时, 某一个电机的道岔断相保护继电器 (BHJ) 不能吸起, 此时ZBH也处于落下状态, QDJ经缓放后才会落下;
3) 切断继电器 (QDJ) 一旦落下, 将切断本组道岔1启动继电器 (1DQJ) 自闭电路, 同时切断三相转辙机室内控制电路的三相电 (A相、B相、C相) 输出, 电机不再启动。
以上情况都将在瞬间完成, 我们也可以确认这两处电路的作用, 即对电源缺相或是三相电路中某一器件损坏或是电机接线脱落等原因所引起的断相进行可靠保护。
4保护、切断继电器电路故障分析 (以双机提速道岔为例, 见图4)
5结论
总的来说, 本部分电路的故障查找还是比较容易, 只要我们按照以上流程进行S700K提速道岔试验及检修试验就可以确保断相保护继电器、切断继电器电路正确无误;室外正常电路试验完毕后, 再配合上可以在多机中逐一断开保护接点配合室内进行这些电路检查试验。
参考文献
[1]翟永强.贝叶斯网络在道岔控制电路故障诊断中的应用研究.兰州交通大学硕士论文, 2012.
[2]黄智达.浅谈S700K提速道岔故障分析与处理.西铁科技, 2011, 2.
IGBT驱动保护电路研究 篇5
在功率半导体器件中,理想的导通器件是晶闸管,而理想的关断器件是晶体管。尽管IGBT(insulated gate bipolar transistor)有电流拖尾的缺点,但其复合了功率场效应管和电力晶体管的优点,具有输入阻抗高、开关频率高、热稳定性好、易触发和能承受高压强电流等特点,所以在大容量变流装置中得到广泛应用[1]。
工程应用反馈的情况表明,大容量IGBT器件的故障损坏率比小电流的IGBT器件高得多。据不完全统计,中、高压变频器因IGBT失效而导致的故障占总故障的90%以上,而驱动和隔离引起的IGBT损毁大约在30%以上[1]。所以,有效可靠的IGBT驱动保护电路是IGBT安全稳定工作的重要前提条件。
本文给出了满足IGBT驱动要求的功能框图和典型驱动保护曲线,介绍了几类基本的驱动电路,并总结了常用集成驱动芯片的工作特性及IGBT驱动的发展趋势,对于IGBT驱动和保护电路的设计和选型具有一定的参考价值。
2 IGBT驱动保护电路的基本要求和分类
根据IGBT的静态特性、开关暂态特性并考虑其允许的安全工作区[2,3,4],IGBT工作时门极驱动保护电路应满足如下基本要求:提供足够的栅极电压来开通IGBT,并在开通期间保持这个电压;在最初开通阶段,提供足够的栅极驱动电流来减少开通损耗和保证IGBT的开通速度;在关断期间,提供一个反向偏置电压来提高IGBT抗暂态dv/dt的能力和抗EMI噪声的能力并减少关断损耗;在IGBT功率电路和控制电路之间提供电气隔离,对IGBT逆变器,一般要求的电气隔离为2 500 V以上;在短路故障发生时, 驱动电路能通过合理的栅极电压动作进行IGBT 保护, 并发出故障信号到控制系统[5]。
图1给出了一类过流保护功能比较完善的IGBT驱动保护曲线。其中T1为过流信号持续较短时间(一般<10 μs),驱动输出自动恢复;T2为降栅压后持续时间(一般为10 μs);T3为软关断持续时间;T4为故障后封锁时间。满足上述要求的IGBT驱动功能块框图如图2所示,PWM信号输入采用双绞线和光纤两种传输方式,其中虚线框内部分为可选内容,可根据需要选择是否配置,也可通过外围电路来实现。值得一提的是CONCEPT公司SCALE系列IGBT驱动器针对EUPEC公司IGBT可以无缓冲运行而设计,无短路软关断功能,点画线框内为电气隔离单元。根据隔离方式不同,可将IGBT驱动电路分为3种基本形式[6]。
2.1 直接驱动电路
输入和输出信号之间无电气隔离,如美国Fairchild公司的FAN8800,Motorola公司的MC33153,美国IR公司的IR21xx系列等,适用于低压中小功率应用场合。
2.2 光电隔离驱动电路
输入和输出信号之间采用光电耦合隔离,隔离电压等级一般为2 500 V,如Agilent公司的HCPL316J,富士公司EXB8x系列,西安陕西高科公司HL40x系列,三菱公司的M579xx系列,日本英达公司HR065,日本三社电机公司GH-03x系列等。
2.3 变压器隔离驱动
输入和输出信号之间采用脉冲变压器隔离,隔离电压等级可达4 000 V,有以下3种方法。
1)无源方法。
用变压器次级的输出直接驱动IGBT,因受伏秒平衡的限制,只适用于占空比变化不大的场合。
2)有源方法。
变压器只提供隔离信号,在次级另有整形放大电路来驱动IGBT,驱动波形较好,但需要单独提供辅助电源。如CONCEPT公司的SCALE系列驱动器,北京落木源公司的KB101,SEMIKRON公司的SKHIxx系列驱动器,北京普尔盛公司的PSH123等。
3)自给电源法。
脉冲变压器既用于传递驱动能量又用于高频调制解调技术传输逻辑信号,分为调制型自给电源方法和分时技术自给电源,其中调制型自给电源用整流桥来产生所需工作电源,用高频调制解调技术来传递逻辑信号,如Unitrode公司的UC3726/3727芯片对(需外接脉冲变压器);分时技术自给电源用二极管和电容来产生所需工作电源,北京落木源公司生产的TX-KC,TX-KD系列驱动器采用此项技术。
此外,还有用LED-Si光电池组构成的光压隔离器(photo voltaic isolator,PVI)驱动电路和无磁芯变压器驱动电路,见文献[7,8]。
3 典型的IGBT保护驱动电路分析
3.1 直接驱动电路
FAN8800的内部电路原理框图和典型应用接线图如图3所示[9]。图3b中,输入信号经外部光耦隔离后加到3引脚,5脚的输出用于驱动IGBT,脚7上的故障输出经光耦合器接到指示器,外部4.7 nF电容用来决定故障输出持续时间。
另外,IR2110驱动器的特色是采用自举悬浮电源,大大简化了驱动电源设计[10],而MC33153驱动器的特色是不仅可以如一般驱动电路那样通过检测IGBT导通时集电极和发射极之间的饱和压降VCE(sat)来检测故障电流,还有一个引脚可以直接采用一个电流传感器检测部分IGBT单元电流的办法来反映主电流[11,12]。
3.2 光耦隔离驱动器
HCPL-316J的内部原理框图和典型应用接线图见图4[13]。图4b中输入信号从V+in输入经内部光耦隔离放大后,VOUT端输出用于驱动IGBT,FAULT 引脚用于输出故障信号。CBLANK反映了当IGBT过流时,从检测到故障到保护开始动作的反应时间,以避开正常导通时VCE的下降时间。
3.3 变压器隔离驱动器
SKHI22A/B的内部原理框图和应用电路如图5所示[14]。图5b中INPUT(TOP)和INPUT(BOTTOM)分别为同一桥臂上、下开关管的触发脉冲,TDT2接不同电平可调节死区时间,ERROR 管脚为差错信号输出,当检测到有过流、欠压等现象并进行保护时,该管脚电平被拉低以通知主控制板。管脚S15,S6外接的RCE和CCE用于调节管子过流保护时的参考压降;管脚S14,S7外接IGBT的栅极导通电阻Ron,S13;S8外接IGBT的栅极关断电阻;管脚S20,S1分别接IGBT的集电极检测IGBT的饱和压降。
综上所述,直接驱动电路通常和外接光耦配合使用,光耦隔离驱动器解决了电压隔离、抗电磁干扰问题,简化了驱动电路设计,减轻了设备体积和重量,降低了成本,在应用中有一定优势,但光耦隔离的工作原理决定了其属于有源隔离,隔离输出端必须存在控制电源,通常还要加以放大等处理,这些弱电器件又存在和主电路共地的问题。作者几次参与处理的矿井大功率变频设备故障中,使用外围电路实现保护的光耦隔离驱动均出现不同程度的损坏。
工程应用实践表明:内部集成有欠压保护,过流监测和软关断的光耦芯片具有较好的性价比,较高的可靠性;高频变压器隔离是比较可靠的一种驱动方式,但其也有结构复杂、体积大、价格昂贵等缺点。表1给出了常用驱动电路的参数和特点对比[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],可供驱动选型时参考,其中驱动能力一栏是按照驱动器输出直接接IGBT门极和发射极给出的,当驱动器输出接图腾推挽电路时其驱动能力可扩大。根据相关资料介绍,目前,一些欧美公司已经采用高频变压器驱动隔离,产品的故障率明显降低,大功率IGBT模块也极少出现问题[1]。
4 结论
本文介绍了IGBT驱动保护技术应用现状和发展趋势,分析了几类典型驱动电路的工作特性,总结了常用集成驱动电路的工作参数和驱动特性。理论分析和工程应用实践表明:内部集成有过流欠压保护和软关断功能并且各类工作参数外部可调的光耦隔离驱动器和高频隔离变压器驱动(应用于EUPEC公司可无缓冲运行IGBT时可无软关断功能)故障率更低,前者性价比高,后者可靠性更好,但是结构复杂,价格昂贵。另外传输PWM信号时,使用光纤比使用双绞线的故障率更低,但成本也更高。
摘要：介绍了IGBT门极驱动保护电路的分类,分析了IGBT驱动保护电路的发展趋势,对常用IGBT驱动器如光耦隔离型、变压器隔离型等典型电路进行了分析,并将市场上常用厂家生产的IGBT驱动器工作参数和性能进行了比较,结合对工程实践中IGBT故障的分析,讨论了选用IGBT驱动器时的参考原则,理论分析和应用实践表明,内部集成完善保护功能的光耦隔离驱动有较好的性价比,高频变压器隔离驱动有较高的可靠性。
IGBT驱动保护电路分析 篇6
IGBT是在电力MOSFET的基础上发展起来的。就IGBT的结构而言, 是在N沟道MOSFET的漏极N层上有附加上一层P层的PNPN四层结构。如图1所示。由于IGBT多了一个P层发射极, 可形成PN结J1, 使得IGBT导通时可由P注入区向N基区发射载流子 (空穴) , 对漂移区电导率进行调制。因而IGBT具有很强的电流控制能力。简化等效电路表明, IGBT是以GTR为主导元件、以MOSFET为驱动元件的达林顿结构, 一个有MOSET驱动的厚基区PNP晶体管, RN为晶体管基区内的调制电阻。
2 IGBT的工作原理
IGBT是一种电压型控制器件, 它所需要的驱动电流跟驱动功率都非常小。IGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极施以正电压时, MOSFET内形成沟道, 并未PNP晶体管提供基极电流, 从而使IGBT关断。在门极上施以负电压时, MOSFET内的沟道消失, PNP晶体管的基极电流被切断, IGBT即为关断。
3 IGBT驱动保护电路分析
3.1 驱动保护电路要求
(1) 驱动脉冲要有足够快的上升和下降速度, 即脉冲的前后沿要求陡峭。
(2) 开通时以低电阻对栅极电容充电, 关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路, 以提高开关速度。
(3) 为了器件可靠导通, 开通脉冲电压的幅度应高于管子的开启电压;为了防止误导通, 在器件截止时提供负的栅-源或栅-射电压。
(4) 出现短路、过流的情况下, 具有灵敏的保护能力。
3.2 IGBT过流保护电路
通常采用的保护措施是降栅压。降栅压旨在检测到器件过流时, 马上降低栅压, 但器件仍维持导通。降栅压后设有固定延时, 故障电流在这一延时期内被限制在一较小值, 则降低了故障时器件的功耗, 延长了器件抗短路的时间, 而且能够降低器件关断使的, 对器件保护十分有利。若延时后故障信号依然存在, 则关断器件。若故障信号消失, 驱动电路可自动恢复正常的工作状态, 因而大大增强了抗骚扰能力。
上述降栅压的方法只考虑了栅压与短路电流大小的关系, 而在实际过程中, 降栅压的速度也是一个重要因素, 它直接决定了故障电流下降的。慢降栅压技术就是通过限制降栅压的速度来控制故障电流的下降速率, 从而抑制器件的和UCE峰值。
3.3 IGBT过压保护电路
关断IGBT时, 它的集电极电流下降率较高, 极高的下降率降引起集电极过电压, 并且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, 加之IGBT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。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, 吸收电路的作用是:当IGBT关断时, 吸收电感中释放的能量, 以降低关断过电压。
3.4 IGBT过热保护电路
由于IGBT是大功率半导体器件, 功率损耗使其发热较多, 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。
在实际工作中, 我们采用普通散热器与强迫风冷相结合的措施, 并在散热器上安装温度开关。当温度达到75~80℃时, 通过关闭信号停止对PWM发送控制信号, 从而使驱动器封锁IGBT的开关输出, 并予以关断保护。
摘要：本文对IGBT的驱动保护电路进行了分析, 给出了IGBT在驱动过程中要做哪些保护, 各采用什么方法, 得出了在设计IGBT驱动电路时应注意的事项。
关键词：IGBT,驱动保护电路,降栅压,吸收回路
参考文献
[1]黄家善.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2012, 1.
[2]王志良.电力电子新器件及其应用[M].北京:国防工业出版社, 2010.
固态放大器保护电路 篇7
对于固态发射机而言, 尽管半导体器件的寿命原理上是半永久的, 但对于过高的温度, 仍会大大降低其使用寿命, 通常认为, 温度降低10℃, 其寿命增加一倍。为了防止晶体管在过热情况下工作, 在功率放大器表面的散热片都带有温度继电器可以关闭电源以保护晶体管。
在北广分米波发射机功率放大器上, 为防止温度过高损坏功放管, 分别设置了3个温度传感器;前级放大器1个, 末级放大器2个, 每个传感器都连接的温度监测保护电路。前级温度监测保护电路输出2路控制信号, 一路信号去温度补偿电路, 通过电调衰减器控制放大器的输入电平, 以补偿温度变化带来的功率波动;另一路信号在监测点温度达到65℃时关闭放大器电源 (封VDC) 。末级温度监测保护电路的功能是, 当温度监测点的温度达到65℃时, 直接关闭功率放大器电源。
当温度为25℃时温度传感器Rtp阻值为1K, 忽略平衡电阻R85、R86和R87的影响, Ui端电压应为0.88V, 由运算放大器闭环放大系数公式A0=1+ (RF/R1) (这里RF=180K, R1=10K) 得知, 此时运放A9A输出端电压为2.5V。
随着温度升高, 温度传感器Rtp阻值增加 (正温度系数) , 放大器A9A同相输入端电平升高, 温度每升高1℃, A9A输出端电平值就提高0.1V。A9A输出电压分为两路, 一路进入温度补偿电路, 通过电调衰减器控制放大器的输入电平;另一路进入电压比较器A10B同相输入端, 当该端电压达到6.5V (温度达到65℃) 时, A10B输出高电平, 驱动保护电路, 关闭放大器电源。
二、过激励、过流保护电路
激励信号过强 (尤其刚开机时) 很容易导致晶体管产生大电流而造成损坏, 为了避免产生这种现象, 发射机在设计了过激励保护电路的同时还设计了过流保护电路, 从两方面同时保护晶体管。
(一) 过激励保护电路原理。
由定向耦合器耦合过来的激励信号经V21检波及C72, R46, C62π型滤波网络后转变为直流电平, 该直流电平输入电压比较器V46的同相端, 当V46同相端电平高于反相端设定电平后, V46输出高电平, V34导通, 通过电调衰减器封锁输入信号。
(二) 过流保护电路。
功率放大器电流取样电路监测每一支功放管漏极电流的变化, 若前级功放管过流, 则直接关闭电源。若末级功放管过流, 则根据过流的时间长短分别处理。瞬间过流, 过流时间大于22us小于26ms可通过电调衰减器将输入功率降低3dB (半功率输出) 。过流时间大于26ms时, 输出3路信号;一路信号通过电调衰减器封锁输入电平;另一路信号封锁末级功放管的栅极电压, 以降低其漏极电流;第三路信号经过4分钟延时后, 关闭放大器电源 (封VDC) 。
在图1所示电路图中, 取样电阻Rt1两端的电位差输入运算放大器N3 (1NA168) , 被放大的信号通过电压跟随器A2A (LM358) 进入电压比较器A7A同相端, 若A7A同相端电平高于反相端设定电平时, A7A输出高电平, 反相器A4D输出低电平, C95通过R31放电, C82通过R69放电, 过流时间大于22us, R-S锁存器N4 (HEF4044) 输出高电平, 晶体管V36导通, 电调衰减器衰减3dB。过流时间大于26ms, R-S锁存器N5输出高电平, 输出信号分三路, 一路通过V34封锁输入电平;另一路通过V37去封锁末级栅极电压, 降低其漏极电流;第三路去延时电路, 经4分钟延时后, 关闭功率放大器电源。
三、驻波比过大保护电路
由于晶体管放大器的负载能力远不如电子管放大器, 因此, 天线驻波比一定要小于1.15, 另外, 驻波比保护电路也要设计得合理、可靠。
驻波比过大保护电路如图2所示, 从功率放大器输出端耦合出的反射信号经过二极管V26检波以及由C73, R56, C68组成的π型网络滤波后变成直流电平, 该直流电平加至运算放大器V45同相输入端。正常情况下, V45输出低电平, V35截止, 12V电源通过R96, R30对C94充电, 达到稳态时, R-S锁存器N1的S端为高电平, Q端输出低电平。同理, 12V电源通过R96, R70对C81充电, R-S锁存器N2的S端为高电平, Q端输出低电平。
当功率放大器输出端反射功率达到入射功率一半时, V45同相输入端电平高于反相输入端设定电平, V45输出高电平, V35导通, C94通过R30放电, C81通过R70放电, 时间达到22us, R-S锁存器N1的S端为低电平, Q端输出高电平, V36导通, 功率放大器输出半功率 (-3dB) 。若反射信号持续时间超过26ms则R-S锁存器N2的S端变为低电平, Q端输出高电平, 与此同时, V34导通, 封锁放大器的激励信号;V37导通, 封锁末级放大管;同时还给出RF封锁信号, 经过4分钟延时后关闭功率放大器电源 (封VDC) 。
四、结语
保护电路在固态功率放大器中起着十分重要的作用, 虽然固态发射机种类千差万别, 保护电路的形式也各有不同, 但是基本原理和要实现的功能都是相同的。因此, 认真分析、讨论其工作原理, 有助于在保证稳定、安全运行条件下最大限度地发挥固态器件的功能。
摘要：本文结合北广分米波电视发射机固态功率放大器电路图, 介绍了几种保护电路的工作原理和性能, 并分析了电路特点, 对各种类型发射机固态功率放大器保护电路原理的分析和探讨有借鉴意义。
控制保护电路 篇8
无源逆变电路的应用非常广泛, 在很多电源中如蓄电池、干电池、太阳能电池、风机等都是直流电源。当负载需要交流供电时, 要先将直流电转换成交流电, 这就要通过逆变电路来实现。另外, 由于无源逆变电路能提供有效值和频率都可调的交流电, 所以交流电机变频调速系统、变极性等离子焊接、不间断电源等都要用到无源逆变电路。逆变分为半桥逆变和全桥逆变, 尤其是全桥逆变, 应用场合非常广泛。全桥逆变电路的优点是输出功率大, 控制方便, 性能好。在硬开关桥式电路中, 功率器件绝缘栅双极晶体管 (Insulated—Gate Bipolar Transistor—IGBT) 在高压下导通, 在大电流下关断, 处于强迫开关过程, IGBT能否正常可靠使用起着至关重要的作用[1,2]。IGBT是MOSFET与双极型晶体管的复合器件, 其驱动与MOSFET驱动相似, 是电压控制器件, 具有自关断能力、输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小及管压降低的特点, 是目前中、大功率开关电源普遍使用的开关器件。但是它对电路的条件和开关环境的依赖很大, 因此IGBT驱动电路和保护电路的设计就显得至关重要。一般来说, IGBT损坏的原因主要是当IGBT退出饱和区而进入了放大区, 使管子开关损耗增大, 或者是IGBT发生短路, 产生很大的瞬态电流, 由于它能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小, 一般仅为几μs至几十μs。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短, 而且使关断时电流变化率di/dt过大, 由于漏感及引线电感的存在, 导致IGBT集电极过电压, 而在器件内部产生擎住效应使IGBT锁定失效, 同时较高的过电压会使IGBT击穿[3,4]。
在大功率逆变电路中元器件的成本较高, 而且负载的制造成本也很高, 为了防止逆变器同一桥臂上下两管同时导通而引起的短路, 同一桥臂上的两驱动信号间必须留有一定的死区时间, 以防止一管还未完全关断时另一管便开始导通的短路故障。也就是通常说的防止直通。此要求可以在单片机PWM波的计算程序中加以考虑。然而这样做往往会增加单片机的数据处理工作量, 而且仅靠软件实现上下桥臂开关管的互锁和死区延迟也不可靠, 因此, 本文为了保证电路的安全性, 提出了在硬件电路设计上实现此项要求。
1 单相全桥电路逆变过程分析
如图1所示, 本文以单相全桥为例来分析逆变过程。全桥逆变电路由IGBT、快速恢复二极管和变压器组成。该电路共有四个桥臂。把IGBT1和 IGBT4作为一对, IGBT2 和IGBT3作为另一对, 成对的两个桥臂同时导通, 两对交替各导通180°。续流二极管VD1和VD4 与IGBT1和 IGBT4反向并联, VD2和VD3 与IGBT2 和IGBT3反向并联, 承受负载产生的反向电流以保护IGBT管。当脉冲信号轮流驱动IGBT管时, 逆变电路将直流电压转换为交流电压送到变压器, 经变压器变压整流滤波后输出。
桥式电路的不足是容易产生直通现象。如果同桥臂的IGBT在前后半周导通区间出现重叠, IGBT1和IGBT4就会发生直通, 那么电流将由电源Vcc经IGBT1和IGBT4形成回路。由于IGBT1和IGBT4的导通电阻很小, 而在逆变电路中电源Vcc的电压一般都较大, 所以回路的电流强度会很大, 足以烧毁功率管IGBT, 甚至是电源Vcc。[5]
针对桥式逆变的以上不足点, 本文从硬件角度出发, 设计了除对驱动信号设置死区之外的方法。
在每个桥臂上采用电流传感器, 通过组合逻辑电路来实现对每个桥臂的通断控制的, 简单易行, 可靠性高。
2 IGBT互锁保护电路的设计
2.1 一般保护电路的软件设计
如图1所示, 通常为了保证上下桥臂不同时导通, 会在驱动信号中设置死区, 即t时间的延时, 如果t太小, 小于IGBT管子本身的延时时间, 则会造成桥臂上的短路。如果t太大, 又不利于逆变器的动态性能。一般为了工作地可靠性, t都会设的较长一些。但是, 当其中一个续流二极管VD被击穿时, 同桥臂上的另一IGBT可能会被继续触发导通, 那会造成桥臂的短路事故。为了避免类似情况, 本文对同一桥臂上的IGBT管实行互锁控制。在一个桥臂上, 无论哪半个桥臂中存在电流, 另外半个桥臂就不会有驱动信号进入。这样就保证了同一桥臂不会同时导通的现象, 也避免上述续流二极管击穿后可能出现的短路事故[6]。下面是桥式逆变电路中IGBT互锁保护的原理图, 如图2所示。
2.2 IGBT互锁保护电路原理
当驱动信号PWM1为高电平1时, 经非门1A变为0后进入或非门1A的一端。同时或非门1A的另一端取决于电流传感器S2, 若IGBT2的半桥臂上没有任何电流流过, 此时则S2会输出低电平经同相器后送入或非门1A。此时或非门1A的输出为高电平信号1, 从而使驱动电路1工作, 进而驱动IGBT1工作。若当驱动信号PWM1为高电平1同时, IGBT2仍为导通状态, 或因为VD2被击穿的原因该桥臂上有电流存在, 那么此时电流传感器S2则会输出高电平信号, 再经或非门1A输出后则为0, 那么就不能使驱动电路1工作, 则IGBT1也不会导通。同样道理, 当驱动信号PWM2为高电平时, 若IGBT1的桥臂上没有电流通过, 那么信号经过组合逻辑电路后会使驱动电路2工作, 从而驱动IBGT2导通。若若IGBT1的桥臂上有电流通过, 则或非门1B则会输出低电平, 即使驱动信号PWM2为高电平, 然而IGBT2也不会导通。这样就实现了同一桥臂上IGBT的相互控制, 达到了互锁的目的。同理, IGBT3和IGBT4的工作原理也是如此。
3 结论
由图3波形分析可以看出, 在AB段中, 当IGBT1的驱动信号来了的同时IGBT2还处于导通状态, 或因故障有电流存在时, 驱动电路1的触发信号Ug1仍然为低电平。从而达到互锁保护的作用。本文所设计的保护电路的主要特点是采用了直接测量电流的方法, 对IGBT功率管工作状态的进行监控, 最大程度减小了单桥臂上不会出现两个IGBT同时导通的可能。此互锁功能, 保障了IGBT的安全, 同时也保障了其他器件及设备的安全。另外由于电流传感器的使用, 可以直接测得桥臂上的电流的大小, 为某些需要测量桥臂电流峰值的特定场合提供了简单和快捷的方法, 非常具有实用性。
参考文献
[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社, 2005
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