電子電路設(shè)計在電子行業(yè)十分重要，相關(guān)人員對于電子電路設(shè)計均有所了解,。對于電子電路設(shè)計,，小編于往期文章中有過介紹。上篇文章中,，更是對保護電子電路設(shè)計有所講解,。本文將對保護電子電路設(shè)計的剩余內(nèi)容加以闡述。

    一、開關(guān)量輸入電路

    圖5中,，開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后與CPU相連,。其中，當輸人端為高電平時,，輸出端為低電平,。

    開關(guān)量輸出電路

    開關(guān)量輸出電路是跳閘合閘信號的通道，低電平有效,，如圖6所示,。

    IGBT保護電路的過流保護設(shè)計方案

    生產(chǎn)廠家對IGBT提供的安全工作區(qū)有嚴格的限制條件，且IGBT承受過電流的時間僅為幾微秒(SCR,、GTR等器件承受過流時間為幾十微秒),，耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護,。產(chǎn)生過流的原因大致有：晶體管或二極管損壞,、控制與驅(qū)動電路故障或干擾等引起誤動、輸出線接錯或絕緣損壞等形成短路,、輸出端對地短路與電機絕緣損壞,、逆變橋的橋臂短路等。

    對IGBT的過流檢測保護分兩種情況：(1)驅(qū)動電路中無保護功能,。這時在主電路中要設(shè)置過流檢測器件,。對于小容量變頻器，一般是把電阻R直接串接在主電路中,，如圖1(a)所示,，通過電阻兩端的電壓來反映電流的大小;對于大中容量變頻器，因電流大,，需用電流互感器TA(如霍爾傳感器等),。電流互感器所接位置：一是像串電阻那樣串接在主回路中，如圖1(a)中的虛線所示;二是串接在每個IGBT上,，如圖1(b)所示,。前者只用一個電流互感器檢測流過IGBT的總電流，經(jīng)濟簡單,，但檢測精度較差;后者直接反映每個IGBT的電流,，測量精度高，但需6個電流互感器,。過電流檢測出來的電流信號,，經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號，從而關(guān)斷IGBT的觸發(fā),，實現(xiàn)過流保護,。

    圖1 IGBT的過流檢測

    (2)驅(qū)動電路中設(shè)有保護功能,。如日本英達公司的HR065、富士電機的EXB840～844,、三菱公司的M57962L等,，是集驅(qū)動與保護功能于一體的集成電路(稱為混合驅(qū)動模塊)，其電流檢測是利用在某一正向柵壓 Uge下,，正向?qū)ü軌航礥ce(ON)與集電極電流Ie成正比的特性,，通過檢測Uce(ON)的大小來判斷Ie的大小，產(chǎn)品的可靠性高,。不同型號的混合驅(qū)動模塊,，其輸出能力、開關(guān)速度與du/dt的承受能力不同,，使用時要根據(jù)實際情況恰當選用,。由于混合驅(qū)動模塊本身的過流保護臨界電壓動作值是固定的(一般為7～10V)，因而存在著一個與IGBT配合的問題,。通常采用的方法是調(diào)整串聯(lián)在 IGBT集電極與驅(qū)動模塊之間的二極管V的個數(shù),，如圖2(a)所示，使這些二極管的通態(tài)壓降之和等于或略大于驅(qū)動模塊過流保護動作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce(ON)之差,。

    圖2 混合驅(qū)動模塊與IGBT過流保護的配合

    上述用改變二極管的個數(shù)來調(diào)整過流保護動作點的方法,，雖然簡單實用，但精度不高,。這是因為每個二極管的通態(tài)壓降為固定值,，使得驅(qū)動模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調(diào)。在實際工作中,，改進方法有兩種：(1)改變二極管的型號與個數(shù)相結(jié)合。例如,，IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V,，驅(qū)動模塊過流保護臨界動作電壓值為 7.84V時，那么整個二極管上的通態(tài)壓降之和應為7.84-2.65=5.19V,，此時選用7個硅二極管與1個鍺二極管串聯(lián),，其通態(tài)壓降之和為 0.7&TImes;7+0.3&TImes;1=5.20V(硅管視為0.7V，鍺管視為0.3V),，則能較好地實現(xiàn)配合(2)二極管與電阻相結(jié)合,。由于二極管通態(tài)壓降的差異性，上述改進方法很難精確設(shè)定IGBT過流保護的臨界動作電壓值如果用電阻取代1～2個二極管,，如圖2(b),，則可做到精確配合。

    二,、過壓/過熱保護電路設(shè)計

    另外,，由于同一橋臂上的兩個IGBT的控制信號重疊或開關(guān)器件本身延時過長等原因,，使上下兩個IGBT直通，橋臂短路,，此時電流的上升率和浪涌沖擊電流都很大,，極易損壞IGBT 為此，還可以設(shè)置橋臂互鎖保護,，如圖3所示,。圖中用兩個與門對同一橋臂上的兩個IGBT的驅(qū)動信號進行互鎖，使每個IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個 IGBT驅(qū)動信號可否通過的制約條件,，只有在一個IGBT被確認關(guān)斷后,，另一個IGBT才能導通，這樣嚴格防止了臂橋短路引起過流情況的出現(xiàn),。

    圖3 IGBT橋臂直通短路保護

    過壓保護

    IGBT在由導通狀態(tài)關(guān)斷時,，電流Ic突然變小，由于電路中的雜散電感與負載電感的作用,，將在IGBT的c,、e兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓 uce=L dic/dt，加之IGBT的耐過壓能力較差,，這樣就會使IGBT擊穿,，因此，其過壓保護也是十分重要的,。過壓保護可以從以下幾個方面進行：

    (1)盡可能減少電路中的雜散電感,。作為模塊設(shè)計制造者來說，要優(yōu)化模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如采用分層電路,、縮小有效回路面積等),，減少寄生電感; 作為使用者來說，要優(yōu)化主電路結(jié)構(gòu)(采用分層布線,、盡量縮短聯(lián)接線等),，減少雜散電感。另外,，在整個線路上多加一些低阻低感的退耦電容,，進一步減少線路電感。所有這些,，對于直接減少IGBT的關(guān)斷過電壓均有較好的效果,。(2)采用吸收回路。吸收回路的作用是;當IGBT關(guān)斷時,，吸收電感中釋放的能量,，以降低關(guān)斷過電壓。常用的吸收回路有兩種,，如圖4所示,。其中(a)圖為充放電吸收回路,，(b)圖為鉗位式吸收回路。對于電路中元件的選用,，在實際工作中,，電容c選用高頻低感圈繞聚乙烯或聚丙烯電容，也可選用陶瓷電容,，容量為2 F左右,。電容量選得大一些，對浪涌尖峰電壓的抑制好一些,，但過大會受到放電時間的限制,。電阻R選用氧化膜無感電阻，其阻值的確定要滿足放電時間明顯小于主電路開關(guān)周期的要求,，可按R≤T/6C計算,，T為主電路的開關(guān)周期。二極管V應選用正向過渡電壓低,、逆向恢復時間短的軟特性緩沖二極管,。

    (3)適當增大柵極電阻Rg。實踐證明,，Rg增大,，使IGBT的開關(guān)速度減慢，能明顯減少開關(guān)過電壓尖峰,，但相應的增加了開關(guān)損耗,，使 IGBT發(fā)熱增多，要配合進行過熱保護,。Rg阻值的選擇原則是：在開關(guān)損耗不太大的情況下,，盡可能選用較大的電阻，實際工作中按Rg=3000/Ic 選取,。

    圖4 吸收回路

    除了上述減少c,、e之間的過電壓之外，為防止柵極電荷積累,、柵源電壓出現(xiàn)尖峰損壞 IGBT，可在g,、e之間設(shè)置一些保護元件,，電路如圖5所示。電阻R的作用是使柵極積累電荷泄放,，其阻值可取4.7kΩ;兩個反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管V1,、 V2。是為了防止柵源電壓尖峰損壞IGBT,。

    圖5 防柵極電荷積累與柵源電壓尖峰的保護

    過熱保護

    IGBT 的損耗功率主要包括開關(guān)損耗和導通損耗,，前者隨開關(guān)頻率的增高而增大,，占整個損耗的主要部分;后者是IGBT控制的平均電流與電源電壓的乘積。由于 IGBT是大功率半導體器件,，損耗功率使其發(fā)熱較多(尤其是Rg選擇偏大時),，加之IGBT的結(jié)溫不能超過125℃，不宜長期工作在較高溫度下,，因此要采取恰當?shù)纳岽胧┻M行過熱保護,。