摘要：本文通過分析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)?strong>弧焊逆變電源的IGBT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。 敘詞：IGBT　保護(hù)　弧焊 Abstract：The reasons of IGBT damaged in application are explained by analyzing structure and safety work areas of IGBT. The fitting measures to protection to the IGBT of the arc-welding inverter power are also carried by using the hardware electric circuit and the controlling procedures of singlechip. These measures above are proved to be effective Keyword：IGBT protection the arc-welding
1　引 言

　　弧焊逆變電源廣泛應(yīng)用于造船、機(jī)械、汽車、電力、化工、石油、輕工業(yè)、航天、國(guó)防工業(yè)等部門。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，從而使人們開始懷疑IGBT的質(zhì)量是否真正符合資料上所列出的各項(xiàng)參數(shù)。本文針對(duì)以上問題介紹了一種應(yīng)用電路硬件保護(hù)和單片機(jī)控制程序保護(hù)相結(jié)合的方法來(lái)對(duì)IGBT進(jìn)行有效的保護(hù)。

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)600)this.width=600" border="0" />

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。

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圖1

　　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600)this.width=600" border="0" />

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工作過程相反，形成關(guān)斷。

2.2　IGBT安全工作區(qū)

　　在IGBT開關(guān)過程中，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。

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　　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，限制過電流和過電壓、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。

3.1　IGBT柵極的保護(hù)

　　IGBT的柵極－發(fā)射極驅(qū)動(dòng)電壓    600)this.width=600" border="0" />

的保證電壓為            600)this.width=600" border="0" />

，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)過程中可能會(huì)使柵極回路斷開，這時(shí)如果電源設(shè)備開始工作，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。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。為防止此類情況發(fā)生，可在IGBT的柵極與發(fā)射極間并接一只  600)this.width=600" border="0" />  的電阻，此電阻應(yīng)盡量靠近柵極與發(fā)身極。如圖3所示。

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圖3

3.2　集電極與發(fā)射極的過壓保護(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，從吸收過電壓的能力上來(lái)說，充放電型效果較好，所以可在弧焊逆變電源中的IGBT過壓保護(hù)緩沖電路可采用圖4所示緩沖吸收電路：

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圖4

　　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)程序過程如圖5所示：

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　　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。

3.3　過流保護(hù)[!--empirenews.page--]

　　過流對(duì)IGBT來(lái)說，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       600)this.width=600" border="0" />

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流，可嘗試采用一種慢降柵壓的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)如圖6：

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圖6

　　正常工作時(shí)，因故障檢測(cè)二極管600)this.width=600" border="0" />的導(dǎo)通，將a點(diǎn)的電壓鉗位在穩(wěn)壓二極管600)this.width=600" border="0" />的擊穿電壓以下，晶體管600)this.width=600" border="0" />始終保持截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)電路發(fā)生過流或短路故障時(shí)，600)this.width=600" border="0" />上的600)this.width=600" border="0" />上升，a電壓隨之上升，到一定值時(shí)，600)this.width=600" border="0" />擊穿，600)this.width=600" border="0" />通，b點(diǎn)電壓下降，電容600)this.width=600" border="0" />通過電阻600)this.width=600" border="0" />充電，電容電壓從零開始上升，當(dāng)電容電壓上升約1.4V時(shí)，晶體管600)this.width=600" border="0" />開通，柵極電壓600)this.width=600" border="0" />隨電容電壓的上升而下降，通過調(diào)節(jié)600)this.width=600" border="0" />的數(shù)值，可控制電容的充電速度，進(jìn)而控制600)this.width=600" border="0" />的下降速度；當(dāng)電容電壓上升到穩(wěn)壓二極管600)this.width=600" border="0" />的擊穿電壓時(shí)，600)this.width=600" border="0" />擊穿，600)this.width=600" border="0" />被鉗位在一固定的數(shù)值上，慢降柵壓過程結(jié)束，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路通過光耦輸出過流信號(hào)傳送至單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警并開始運(yùn)行延時(shí)程序。如果在單片機(jī)的延時(shí)過程中，故障信號(hào)消失了，則a點(diǎn)電壓降低，600)this.width=600" border="0" /> 恢復(fù)載止，600)this.width=600" border="0" />通過600)this.width=600" border="0" />放電，d點(diǎn)電壓升高，600)this.width=600" border="0" />也恢復(fù)截止，600)this.width=600" border="0" />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　過熱保護(hù)
　　
　　在焊接工作時(shí)由于工作環(huán)境惡劣，流過IGBT電流很大，并且開關(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 600)this.width=600" border="0" /> 超過 600)this.width=600" border="0" />，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載時(shí)，IGBT也不能過熱而損壞。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)?strong>弧焊逆變電源中IGBT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)到滿意的效果。