引言
電阻焊是一種重要的焊接工藝,，具有生產(chǎn)效率高,、成本低、節(jié)省材料和易于自動(dòng)化等特點(diǎn),，中頻直流逆變電阻焊接電源作為一種新型的控制電源,，以其顯著的高質(zhì)低耗的特點(diǎn)成為電阻焊電源的發(fā)展方向。
IGBT是一種用MOS管來(lái)控制晶體管的電力電子器件,，具有電壓高,、電流大、頻率高,、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn),，但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就容易損壞,，為此,，必須對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)，本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā),，總結(jié)了過壓,、過流與過熱保護(hù)的相關(guān)問題和各種保護(hù)方法，適用性強(qiáng),、應(yīng)用效果好,。
中頻電阻焊機(jī)逆變電源
中頻逆變直流電阻焊機(jī)的供電電源是由三相工頻交流電源經(jīng)整流電路和濾波電容轉(zhuǎn)換成直流電源，再經(jīng)由功率開關(guān)器件組成的逆變電路轉(zhuǎn)換成中頻方波電源,，然后輸入變壓器降壓后,，經(jīng)低管壓降的大功率二極管整流成直流電源，供給焊機(jī)的電極,，對(duì)工件進(jìn)行焊接（見圖1）,。控制電路部分由DSP和CPLD組成,，DSP（TMS320LF2407A）產(chǎn)生的PWM波和檢測(cè)信號(hào),、保護(hù)信號(hào)在CPLD（EPM7128S）里現(xiàn)實(shí)邏輯運(yùn)算。
逆變器通常采用電流反饋實(shí)現(xiàn)PWM,，以獲得穩(wěn)定的恒定電流輸出,，電路原理和波形如圖1所示，圖中U電源為電源電壓,，U初級(jí)為逆變器輸出中頻電壓,，變壓器次級(jí)電流為I次級(jí)，控制PWM的脈寬可以控制I次級(jí)的大小,，逆變電流采用全橋結(jié)構(gòu),，主要優(yōu)點(diǎn)是主變壓器工作效率高，其主電路由4個(gè)IGBT和中頻變壓器組成,，將直流電壓轉(zhuǎn)換成中頻方波交流電壓并送中頻變壓器,，經(jīng)降壓整流濾波后輸出，電路的可靠性來(lái)自IGBT的穩(wěn)定運(yùn)行,。
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)，而對(duì)IGBT的保護(hù),，主要包括過電流保護(hù),，過電壓保護(hù)和IGBT過熱保護(hù)。
IGBT的保護(hù)措施
IGBT的過電流保護(hù)
IGBT的大功率管通常只能承受10μs以下的短路電流,，當(dāng)IGBT遇到過流或短路時(shí),，若不加保護(hù)或保護(hù)不當(dāng)，就會(huì)使IGBT損壞,。
M57962AL是IGBT專用驅(qū)動(dòng)模塊,，它采用雙電源驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成有2500V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護(hù)電路,，以及過電流保護(hù)輸出信號(hào)端子和與TTL電平相兼容的輸入接口,，本文主要應(yīng)用M57962AL來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和過電流保護(hù)功能，電路見圖2。
圖2所示的IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路的工作原理為：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入后,，經(jīng)過高速光耦隔離,，由M57962AL內(nèi)置接口電路傳至功放級(jí)，在M57962AL的5腳產(chǎn)生+15V開柵和-10V關(guān)柵電壓,，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷,。當(dāng)過流發(fā)生時(shí)，IGBT的Uce會(huì)顯著高于正常導(dǎo)通值,，飽和壓降一般為7V以上,，就發(fā)生退飽和現(xiàn)象，此時(shí),，M57962AL的保護(hù)電路檢測(cè)出IGBT的柵極和集電極同為高電平,，判斷系統(tǒng)過流，M57962AL內(nèi)置定時(shí)器,，通過關(guān)柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值,，同時(shí)發(fā)出故障信號(hào)，使8腳變?yōu)榈碗娖剑ㄈ鐬樗查g過流,，且在10μs內(nèi),，1端回到低電平，則保護(hù)復(fù)位,，電路恢復(fù)常態(tài)）,，輸出短路故障信號(hào)（低電平），保護(hù)信號(hào)傳到控制電路,，立即關(guān)閉PWM的輸出,，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷，從而起到保護(hù)IGBT的作用,。
IGBT的過電壓保護(hù)
關(guān)斷IGBT時(shí),，它的集電極電流下降率較高，極高的下降率將引起集電極過電壓,。降低IGBT集-射極間電壓UCE的方法通常有兩種：一種是增大柵極電阻RG,，但RG的增大將減緩IGBT的開關(guān)速度，從而增加開關(guān)損耗,，此方法不太理想,；還有一種就是采用緩沖吸收電路（見圖3）。
吸收電容CS與電阻RS串聯(lián)后跨接在IGBT的C,、E兩端,，就構(gòu)成了RC吸收電路，由于RS的串入,，使IGBT關(guān)斷時(shí)過電壓吸收效果較單電容緩沖電路要差,，RS越大,，吸收效果越差。所以,，在緩沖吸收電路中,，RS取值較小，這樣既有較好的吸收效果,，同時(shí)對(duì)開通時(shí)的電流尖峰又有抑制作用,。
IGBT的過熱保護(hù)
由于IGBT是大功率半導(dǎo)體器件,，損耗功率使其發(fā)熱較多,，加之IGBT的結(jié)溫不能超過125攝氏度，不宜長(zhǎng)期工作在較高溫度下,，因此要采取恰當(dāng)?shù)纳岽胧┻M(jìn)行過熱保護(hù),。
本文采用普通散熱器與強(qiáng)迫風(fēng)冷相結(jié)合的措施，并在控制電路上加過熱檢測(cè)保護(hù)電路,，應(yīng)付IGBT與散熱器接觸不良或者非正常情況,，在IGBT散熱片上安裝熱敏電阻，然后通過邏輯判斷電路給出信號(hào),，供控制電路處理（見圖4）,。 U11為L(zhǎng)M393AN比較器，JP5處接上具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻RT,，Thref為參考電壓,，可以通過調(diào)節(jié)電位器RP8來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)作門檻值。電路正常工作時(shí),，2點(diǎn)電位比3點(diǎn)電位低,，1點(diǎn)輸出信號(hào)THP為高電平，THP信號(hào)在CPLD（EPM7128S）中與PWM信號(hào)相與,，當(dāng)器件溫度超過極限時(shí),，熱敏電阻值升高，2點(diǎn)電位高于3點(diǎn)電位,，1點(diǎn)輸出低電平,，經(jīng)CPLD封鎖PWM脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出低電平,，從而關(guān)斷IGBT,，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
根據(jù)以上各種保護(hù)電路,，結(jié)合圖1主電路,，構(gòu)成本實(shí)驗(yàn)電路。加壓后使其工作,，采用示波器TDS3014B觀察和記錄實(shí)驗(yàn)波形,。記錄的波形為驅(qū)動(dòng)輸出連接IGBT的G極波形。
圖5為工作狀態(tài)下的情況，波形十分穩(wěn)定,，驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為+15V,、-9V。能通過調(diào)節(jié)PWM的寬度來(lái)調(diào)節(jié)IGBT的開關(guān)時(shí)間,，從而調(diào)節(jié)次級(jí)直流電流的大小,，圖6為發(fā)生短路的情況，當(dāng)M57962AL檢測(cè)到過流發(fā)生時(shí),，迅速產(chǎn)生短路保護(hù)信號(hào)short1,，并將其送給DSP2407A，立即關(guān)閉PWM的輸出,。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了利用硬件保護(hù)電路,，對(duì)中頻直流電阻焊機(jī)逆變電源中的IGBT進(jìn)行保護(hù)的方法和措施，這樣不僅保護(hù)了IGBT正常使用的安全,，還保證了該電源即使在惡劣的環(huán)境中也能可靠穩(wěn)定的工作,，從實(shí)際運(yùn)用情況看，設(shè)計(jì)的保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)了可靠有效的保護(hù),。