中心議題：

• 針對正負脈衝電源中對IGBT保護的要求
• 保護電路的控製電路

正負脈衝電源的解決方案：

• 雙重保護控製電路

摘　要：針對正負脈衝電源中對IGBT保護的要求，提出並分析了一種廉價而簡潔的

、適用於各種保護電路的控製電路
，給出了設計時需要注意的問題。該控製電路對於實際操作中可能遇到的過載
、瞬時過流、短路等現象能進行很好的監測和控製。

在材料保護領域
，等離子體表麵處理、陽極氧化、微弧氧化
、maichongdiandudengxinjishuzhengzaiguoneixingqi。gongyeshengchanxuyaodetezhongdianyuanyidagonglvzhengfumaichongdianyuanweixianjindeyizhong。dianyuandeyanzhiguochengzhong

，jueyuanzhashuangjixingjingtiguan(IGBT)始終是功率開關器件的首選。他集MOSFET的輸入阻抗高、驅動容易
、開關速度快、無二次擊穿和GTR的通態壓降低
、高壓大電流化容易等優點於一體
，是目前脈衝電源中的主要功率開關器件。IGBT的可靠工作是脈衝電源可靠工作的基礎，在對IGBT的保護中

，過流保護是關鍵技術之一
，脈衝電源能否穩定
、可靠地工作，很大程度上取決於過流檢測保護電路設計的優劣。

1　典型控製方案

1．1　IGBT的失效機理

IGBT在短路和過流時
，如不迅速加以保護就會導致器件失效，其主要原因有：超過熱極限、發生擎住效應、器件過壓擊穿等。

(1)超過熱極限　器件短路時的功耗將導致器件芯片溫度迅速上升。若溫度超過250℃，由於芯片材料矽的本征化將會導致IGBT迅速熱擊穿而損壞。

(2)發生擎住效應　IGBT結構上存在寄生晶閘管，在極大的短路電流下關斷IGBT時極易發生動態擎住導致器件損壞。

(3)器件過壓擊穿　大電流下關斷IGBT時極大的dI/dt在回路電路中產生的關斷電壓尖峰有可能使IGBT因雪崩擊穿而損壞。

1．2　IGBT的特性曲線

圖1是IGBT短路時的輸出特性。他說明IGBT的短路電流Isc隨電源電壓VCC增加而增加

，同時也隨柵極驅動電壓VGE增加而增加，因此柵極驅動電壓VGE的幅值不宜過大。

圖2是IGBT的允許短路時間tSC，短路電流Isc與柵極驅動電壓的關係
，由圖2可知，當IGBT短路時，及時減小VGE可以使ISC減小和延長。

圖3是IGBT的飽和導通壓降VCES和集電極電流Ic的關係。該圖表明
，VCES和Ic近似成線性關係，因此，可以通過檢測集電極電位來判斷IGBT是否過流。

[page]
1．3　常用檢測電路

根據以上IGBT的3個特性曲線，利用通過檢測集電極飽和壓降來判斷IGBT是否過流這一原理，可以派生出很多檢測電路。其中較為常見的電路如圖4所示［1］。

此電路由一比較器實現。圖4中D為高反壓快速恢複二極管

，電位器W用於調整V＋。當管子正常導通不過流時，Vce＋Vd(Vd為二極管D的正向導通壓降)低於V＋，比較器輸出高電平；當發生過流時
，Ic急劇增加
，使 Vce上升很多，有Vce＋Vd高於V＋，比較器輸出低電平，通過光耦產生過流保護信號(低電平有效)。

雖然通過檢測其集電極電壓來判斷IGBT工作電流是否過大的方法最直接
，但在電路設計時遇到2個問題：

(1)IGBT通態時
，Vce隻有幾伏電壓，IGBT關斷時
，Vce卻que有you幾ji百bai伏fu電dian壓ya

，相xiang差cha如ru此ci大da的de檢jian測ce信xin號hao怎zen樣yang協xie調tiao統tong一yi。因yin檢jian測ce電dian路lu直zhi接jie與yu控kong製zhi電dian路lu相xiang連lian
，所suo以yi不bu希xi望wang有you強qiang電dian信xin號hao進jin入ru，以yi免mian幹gan擾rao和he衝chong擊ji控kong製zhi電dian路lu。

(2)由於IGBT管在快速大電流能斷狀態下工作
，要求檢測電路輸入阻抗高，輸入電容小。鑒於以上兩點
，選擇舍棄通過檢測集電極電壓來判斷IGBT工作電流是否過大的方法，而考慮在主回路上直接進行檢測。

2　雙重保護控製電路

2．1　主電路原理圖

主電路為載波電路
，如圖5所示。

圖5中I1，I2為采樣電流，V1
，V2為采樣電壓。I1
，V1分別為正向電流和正向電壓；I2，V2分別為反向電流和反向電壓。

 2．2　控製係統原理圖控製電路如圖6所示。

圖6中LM358為反向放大器，LM324為比較器，PT為保護電路的控製信號(高電平有效)。這裏，比較器選擇的依據是：由圖2中IGBT的驅動柵壓 VGE與Isc和允許過流時間tsc的關係知，當VGE＝15 V時
，該器件承受250 A的過流衝擊時間僅為5μs。如果在過流開始時
，將柵壓降低到10 V，則承受過流的時間可延長到15μs，並且過流幅值也由原來的250 A下降到100 A。當然，由於VGE的降低，將導致IGBTdaotongyajiangshenggao
，zhejiangshiguanzideshunshiresunhaojijuzengda。weilefangzhiresunhuai
，zhegeshijianyingzugouduan，buyunxuyincieryinqiresunhuai。shishishang
，guoliubaohudianludezhenggexiangyingshijiantongchangxiaoyu10μs。因此
，選用廉價的LM324基本可以滿足設計要求，他的具體指標如下：單電源供電，工作電壓 3～ 30 V，輸入失調電壓低於5 mV，輸入到輸出傳輸時延5μs，100 dB帶寬大於1 MHz。

2．3　實現功能

這裏以反向采樣電流I2這一支路為例進行說明。　

采樣電流I2經LM358反向放大後在1腳輸出
，這裏分別記LM358的管腳1，2，3，5
，6的電壓為V1

，V2，V3，V5，V6，從圖中顯然有V1＝V2＝V6。這裏V3為瞬時過流保護控製點
，V5為持續過流保護控製點。

當V2＜V3時，即沒有過流信號出現，此時比較器1腳
，7腳輸出高電平
，D1，D2截止，控製電路不工作。　　

當V3＜V2＜V5時，即有瞬時過流信號出現

，比較器1腳輸出低電平，7腳仍是高電平

，D1導通
，D2截止，即隻有第一級比較起作用，此時
，Q1，Q5導通，LED發光
，PT為高電平，啟動保護電路。在這種情況下，主回路每瞬時過流一次，LED便亮一下，而後熄滅。也就是說，當過流信號介於比較點V3和 V5之間時
，可以實現過流一次保護一次的功能。
[page]
當V2＞V5時
，即有持續過流信號出現(如短路時)，比較器 1
，7腳為低電平，D1，D2導通，兩級比較都起作用，但起決定性作用的還是第2級比較。因為Q2，Q3組成可控矽式結構，當D2導通後，相當於給“可控矽”一個觸發信號，Q3馬上導通，緊接著Q2也導通，則有LED發光
，PT為高電平。此時，即便取樣電流I2恢複正常，D1
，D2截止，但Q3與Q2仍是導通的，LED一直發光，PT一直處於高電平狀態。這也就是說，當過流信號大於短路電流保護控製點V5時，可以實現短路後長期保護的功能。

控製電路中D4的作用是：由於PT外接保護電路
，電路中的導線上存在著分布電感，而分布電感上的電流又會反向加在Q2
，Q3上，導致Q2，Q3的損壞，故在此加上一個二極管，緩解導線分布電感上電流對開關的衝擊。

當檢測到瞬時過流信號時，可以通過延時關斷一個周期的驅動信號

，隨後恢複之，進行保護；當檢測到短路信號時
，可以通過慢降柵壓技術［4］來關斷IGBT，從而進行保護。對於正向取樣電流I1工作原理的分析與反向電流I2相同
，在此不加贅述。

 2．4　需要注意的問題

(1)電路中要求放大器LM358放大100～200倍
，並且他存在失調電壓
，通常是10 mV左右
，而待放大的信號也是很微弱的，一般情況下有幾十個mV，但不能排除輸入信號低於10 mV的情況。當這種情況發生時
，可以在放大前先給輸入信號疊加一個10 mV左右的信號以抵消失調電壓的影響。如果實際應用中需要穩定性更好、精度更高、放大倍數更大的放大器
，則可將LM358換成有正負電源供電的 TL082。

(2)在實際應用中
，發現比較器LM324的響應速度還是不理想的
，對於頻率更高
，功率更大的脈衝電源，建議使用 NJU7119(單電源CMOS比較器
，工作電壓1．8～5．5 V，工作電流100 mA，輸出能驅動TTL，CMOS和各種電壓電平，輸入失調電壓低於7 mV，傳輸延遲時間(tplh/tphl)為160/70 ns)或AD53519(雙超快電壓比較器，有很強的輸入保護，輸入到輸出傳輸時延300 ps
，差分ECL兼容輸出，差分鎖存控製

，3．0 dB帶寬大於2．5 GHz
，輸出端上升/下降時間為150 ps)。

(3)Q1和Q3的基極和發射極間的電阻選取很重要
，也就是R3和 R22的阻值是嚴格要求的
，他們和比較點輸出電壓(如LM324的1腳和7腳)有密切聯係。因為比較器和三極管的供電電壓是一樣的
，而電路要求比較器輸出的高電平VH與二極管管壓降之和一定要大於Q1和Q3的基極電壓VB，即：VH＋VD＞VB，所以可以根據實際需要來選擇R3和R22的大小。

3　實驗與結論

在本所自行研製的30 kW微wei弧hu氧yang化hua用yong正zheng負fu脈mai衝chong電dian源yuan中zhong
，此ci控kong製zhi電dian路lu起qi到dao了le很hen好hao的de監jian測ce和he控kong製zhi作zuo用yong，對dui於yu瞬shun時shi過guo流liu和he短duan路lu情qing況kuang的de發fa生sheng，都dou能neng給gei予yu及ji時shi的de識shi別bie和he相xiang應ying的de保bao護hu。經jing過guo長chang時shi間jian的de運yun行xing和he現xian場chang工gong藝yi的de特te殊shu要yao求qiu，本ben設she備bei完wan全quan能neng夠gou應ying付fu各ge種zhong過guo流liu現xian象xiang的de產chan生sheng，確que保bao電dian源yuan安an全quan可ke靠kao工gong作zuo。

本文介紹的避開檢測集電極電位來判斷IGBT是(shi)否(fou)過(guo)流(liu)的(de)方(fang)法(fa)
，改(gai)用(yong)直(zhi)接(jie)檢(jian)測(ce)主(zhu)回(hui)路(lu)分(fen)流(liu)器(qi)上(shang)電(dian)流(liu)來(lai)判(pan)斷(duan)和(he)控(kong)製(zhi)過(guo)流(liu)，實(shi)現(xian)電(dian)路(lu)簡(jian)單(dan)，成(cheng)本(ben)低(di)，可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)

，動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)好(hao)
，已(yi)用(yong)於(yu)脈(mai)衝(chong)電(dian)源(yuan)的(de)控(kong)製(zhi)單(dan)元(yuan)。