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逆变焊机的IGBT驱动和保护电路

2021-03-04 15:41:01

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逆变焊机的IGBT驱动和保护电路

IGBT逆变弧焊机已日益受到各逆变焊机厂家的重视,然而,“烧管子”的问题一直困扰着人们,这严重影响了IGBT的推广使用。研究结果表明,要保证IGBT的可靠使用,其驱动和保护电路的设计非常关键。
 
  1. IGBT逆变弧焊机原理及特性
  IGBT逆变弧焊机原理见图1。

图1  IGBT逆变弧焊机原理框图
 
图1  IGBT逆变弧焊机原理框图

  1—输入整流器  2—滤波器  3—IGBT逆变器  4—中频变压器  5—输出整流器  6—滤波器  7—欠压检测  8—欠压保护  9—短路检测  10—PWM  11—短路保护  12—空载判别   13—弧推力控制  14—自动引弧  15—电压检测  16—过热检测  17—过热保护   18—电流PID调节  19—电流检测  20—电流给定

  IGBT(绝缘栅双极晶体管)是整个电路中最关键的元件,它具有MOSFET的输入阻抗高、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特点,其等效电路图见图2。IGBT由四层PNP组成,形成了一个寄生晶闸管,此寄生晶闸管一旦导通,IGBT的栅极便失去控制作用,而产生所谓“擎住现象”,从而损坏IGBT。“擎住现象”有静态擎住和动态擎住两种。流过IG2BT的稳态电流过大或开关速度过快均会产生擎住现象,应尽可能避免焊机工作时过热、过流,并抑制开关时的浪涌电压等,从而减少擎住现象。

图2 IGBT等效电路
 
图2 IGBT等效电路

 
  2. IGBT对驱动电路的要求
  IGBT由于具有开关速度快,饱和压降低和方形的安全工作区等特点,使得对它的驱动要求和保护有如下注意点:
  (1)提供适当的正、反向驱动输出电压;
  (2)有足够的瞬时功率或瞬时电流输出能力;
  (3)尽可能短的输入输出信号传输延时;
  (4)很强的输入输出隔离能力;
  (5)具有可靠的过流或保护能力;
  (6)IGBT因饱和压降较低导致短路电流较大,在发生短路故障时,最好采用具有降栅压及软关断功能的保护电路;
  (7)IGBT开通时能承受较大的电流上升率和瞬时短路电流,因此不必采用开通电流的抑制电感;
  (8)具有方形的安全工作区的NPT型IGBT,能适应高效的放电阻止型关断缓冲吸收电路,使得它的工作效率得到提高;
  (9)在工作电流较大的情况下,为了减小关断过电压,应尽量减小主电路的布线电感,吸收电容器应采用低感型。
  为满足不同电路的要求,目前市场上推出了各种系列的驱动模块,如日本富士公司的EXB841系列。从综合的观点看还没有一种是十全十美的。由于在逆变焊机电路中,IGBT直接对地短路的可能性很小,只要能保证不发生桥臂直通、且采用电流互感器进行过流保护,IGBT就不会受到过流威胁。逆变焊机采用了较为简单的驱动电路(见图3),该电路用变压器隔离,正负驱动电压为±15V,工作时驱动波形见图4。

图3 变压器耦合驱动器

图3 变压器耦合驱动器
图4 驱动波形

图4 驱动波形


  通过改变电容的充放电时间,调整波形的上升沿和下降沿的陡度,保证正在工作的IGBT完全关断后,再开通另一个IGBT。同时,为改善驱动脉冲的前后沿陡度和防止振荡,在IGBT的栅极串入一个电阻Rg,以减小IGBT关断时集射间di/dt的上升率。实践证明,Rg为10~100Ω为宜,且引线愈短愈好。
 
  3. 逆变焊机中的IGBT保护电路
  (1)di/dt的限制。
  为限制感性关断时产生的浪涌电压,有必要采取缓冲电路来消除这种开关浪涌,见图5。

图5 逆变桥臂缓冲电路
 
图5 逆变桥臂缓冲电路

  图中各元件参数按(1)~(4)式选取。

Cs=[Io/(KUcep-Ud)]2LS   (1)

式中:Ls——引线电感,以1μH/m计;
      Io——IGBT最大脉冲电流值;
      Ucep——集射间的峰值电压; 
      K——额定减小系数,非重复时K=1,重复时K=0.8。

Ucep=Ud+UFM+Lodi/dt       (2)

式中:Ud——直流高压;
       UFM——二极管暂态正向压降,1200V级取40~60V。

2Ls/Cs≤Rs≤1/(2.3fCs)       (3)

式中:f——IGBT开关频率;

IDM=(Ucep-Ud)/Rs   (4)

  常选2~3倍IDM快速软恢复二极管。
  实测电压尖峰ΔU=Ucep<100V时,缓冲效果较明显。
 
  (2)过流保护。
  利用IGBT的通态压降与集电极电流成正比的特性,通过监测通态压降VCE(ON)来判断是否过流,并采取相应的措施来实现所谓的“软关断”,但此电路实现较复杂。利用电流电压互感器LEM模块作为焊机的电流检测元件,当电流超过设定的最大值时,保护电路动作,关断IGBT。另外,在主电路设置大的电抗器,以减小电路开通时电流的冲击。
 
  (3)过热保护。
  IGBT的擎住电流与温度有关,其温度升高后,NPN管开通的偏置电压不再是0.7V,而是随温度的升高而下降,P+区的横向电阻RP随温度的升高而增大,二者的影响均使擎住电流下降,导致擎住现象的产生而损坏IGBT。一般在温度上升较快的部位装热敏电阻来监测焊机发热情况,当温度达到设定值时,保护电路动作,使IGBT关断,焊机停止工作。
 
  4. 结束语
  为了保证IGBT逆变弧焊机的可靠运行,完善驱动、保护电路至关重要,同时,在实际工作中,还应注意其外围电路的设计及装配工艺的改进。如焊机内布线时,应考虑如何减小线路的干扰,降低电路的引线电感,散热器和风道的设计应达到最佳的散热效果等。

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作者: 深圳市华科智源科技有限公司
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