《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于IGBT的電磁振蕩設(shè)計(jì)
摘要: 目前,,這種電磁振蕩方案以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰,、可靠性高,、成本低的特點(diǎn),,在實(shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,。而且這種IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和電磁振蕩方案可以在家用電器中的電磁爐,、電磁電飯鍋、電磁熱水壺,、電磁熱水器等,。
Abstract:
Key words :

  IGBT是絕緣柵極雙極型晶體管。它是一種新型的功率開(kāi)關(guān)器件,,電壓控制器件,,具有輸入阻抗高、速度快,、熱穩(wěn)定性強(qiáng),、耐壓高方面的優(yōu)點(diǎn),因此在現(xiàn)實(shí)電力電子裝置中得到了廣泛的應(yīng)用,。在我們的設(shè)計(jì)中使用的是西門(mén)子公司生產(chǎn)的BSM50GB120,,它的正常工作電流是50A,電壓為1200V,,根據(jù)具體的情況需要,,還可以選取其它型號(hào)的IGBT。對(duì)于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路模塊,,市場(chǎng)上也有賣(mài)的,,其中典型的是EXB840、2SD315A,、IR2130等等,。但是在家用電器中,考慮到驅(qū)動(dòng)保護(hù)特性,,以及成本方面的因數(shù),,設(shè)計(jì)出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。

  通過(guò)電磁振蕩產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng),,然后作用在鍋具(磁性的)上形成渦流,,實(shí)現(xiàn)加熱功能的,。使用這種方案的器具,憑借其衛(wèi)生,、使用方便可靠,,尤其是節(jié)能方面優(yōu)點(diǎn)更顯著,熱效率一般能夠達(dá)到90%多,,所以在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,。目前,這種電磁振蕩方案以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰,、可靠性高,、成本低的特點(diǎn),在實(shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,。而且這種IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和電磁振蕩方案可以在家用電器中的電磁爐,、電磁電飯鍋、電磁熱水壺,、電磁熱水器等,。

  IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

  IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

  根據(jù)不同的功能要求,可以選取不同的驅(qū)動(dòng)電路,,在有些重要的大電流或者是昂貴的電子設(shè)備中,,我們可以選取專門(mén)的IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)芯片,可靠性很高,,但是在一些低成本,,如家用電器中,這些驅(qū)動(dòng)模塊就不太實(shí)用了,。

  如圖1所示,,其中包括了IGBT的具體驅(qū)動(dòng)電路, 滿足了IGBT的驅(qū)動(dòng)要求,,采用的是單電源15V供電的方式,,IGBT的柵極電壓可以為15V和0V,可以保證IGBT的正常導(dǎo)通與關(guān)斷,,電路簡(jiǎn)單,,實(shí)用于低成本的家用電器控制器中。

  其中A點(diǎn)為IGBT的控制輸入信號(hào),。當(dāng)輸入高電平的時(shí)候,,Q4導(dǎo)通,則B點(diǎn)為高電平,,從而驅(qū)動(dòng)Q1導(dǎo)通,,Q2截止,使得D點(diǎn)電壓為+15V,,然后通過(guò)電阻 R2驅(qū)動(dòng)IGBT,,此時(shí)D4相當(dāng)于開(kāi)路,,R2為斷開(kāi)的。D1,、D2為15V的穩(wěn)壓二極管,,他們可以控制IGBT的G點(diǎn)在15V, 控制IGBT導(dǎo)通,。當(dāng)A 點(diǎn)輸入的是低電平,,Q4截止,B點(diǎn)為低電平,,從而驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通,,Q1截止,D點(diǎn)電平為低的,,這時(shí)R1與R2認(rèn)為是并聯(lián)的,,使得IGBT為截止?fàn)顟B(tài)。

  IGBT的保護(hù)電路

  首先是過(guò)流保護(hù)措施,,IGBT的短路電流的大小與柵極電壓有關(guān),在實(shí)際應(yīng)用中,,可以通過(guò)減少柵極電壓來(lái)降低短路電流或延長(zhǎng)承受短路電流的時(shí)間,。在電磁振蕩過(guò)程中,其振蕩頻率為30KHz~40KHz,,在一個(gè)周期中,,IGBT開(kāi)通的時(shí)間大概是15~25μs。當(dāng)發(fā)生過(guò)流情況時(shí),,IGBT的C,、E兩端的電壓會(huì)升高,使得D7相當(dāng)于斷開(kāi)了,,這個(gè)時(shí)候IGBT為導(dǎo)通的,,B點(diǎn)電壓為15V,二極管D6導(dǎo)通,,然后通過(guò)R6,,R7為電容器C1充電,如果過(guò)流時(shí)間超過(guò)2μs 后,,C點(diǎn)的電壓使得穩(wěn)壓二極管D5導(dǎo)通,,導(dǎo)致Q3處于導(dǎo)通狀態(tài),在電路中選用的穩(wěn)壓二極管D3為10V的,,這樣由于D3的鉗位作用,,這樣有效地降低了 IGBT的柵極電壓VGE,根據(jù)IGBT的驅(qū)動(dòng)特性,,可以延長(zhǎng)IGBT的短路電流的承受時(shí)間,。在電磁振蕩電路中,,IGBT開(kāi)啟的時(shí)間很短,采取這樣降低柵極電壓的方法可以有效地保護(hù)器件,。

  通過(guò)對(duì)接的兩個(gè)穩(wěn)壓二極管可以有效低鉗位D點(diǎn)的電壓不能超過(guò)15V,,在D點(diǎn)與地線之間接上一個(gè)幾十 KΩ的電阻,這樣可以作為柵極驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)壓保護(hù),。在IGBT關(guān)斷的時(shí)候,,二極管D4導(dǎo)通,則此時(shí)柵極電阻RG則相當(dāng)于是R1與R2兩個(gè)電阻并聯(lián)的電阻,,這樣使得柵極電阻RG更小,,這樣可以有效地起到集電極電流變化過(guò)大保護(hù)作用。此外在繪制PCB時(shí),,在加粗地線的同時(shí)得注意驅(qū)動(dòng)電路與IGBT柵極,、發(fā)射極之間的距離,盡量減小柵極與發(fā)射極的等效電感,。

  

  圖 1 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

  IGBT是絕緣柵極雙極型晶體管,。它是一種新型的功率開(kāi)關(guān)器件,電壓控制器件,,具有輸入阻抗高,、速度快、熱穩(wěn)定性強(qiáng),、耐壓高方面的優(yōu)點(diǎn),,因此在現(xiàn)實(shí)電力電子裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。在我們的設(shè)計(jì)中使用的是西門(mén)子公司生產(chǎn)的BSM50GB120,,它的正常工作電流是50A,,電壓為1200V,根據(jù)具體的情況需要,,還可以選取其它型號(hào)的IGBT,。對(duì)于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路模塊,市場(chǎng)上也有賣(mài)的,,其中典型的是EXB840,、2SD315A、IR2130等等,。但是在家用電器中,,考慮到驅(qū)動(dòng)保護(hù)特性,以及成本方面的因數(shù),,設(shè)計(jì)出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路,。

  通過(guò)電磁振蕩產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng),然后作用在鍋具(磁性的)上形成渦流,,實(shí)現(xiàn)加熱功能的,。使用這種方案的器具,,憑借其衛(wèi)生、使用方便可靠,,尤其是節(jié)能方面優(yōu)點(diǎn)更顯著,,熱效率一般能夠達(dá)到90%多,所以在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,。目前,,這種電磁振蕩方案以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰、可靠性高,、成本低的特點(diǎn),,在實(shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。而且這種IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路和電磁振蕩方案可以在家用電器中的電磁爐,、電磁電飯鍋,、電磁熱水壺、電磁熱水器等,。

  IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

  IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

  根據(jù)不同的功能要求,,可以選取不同的驅(qū)動(dòng)電路,在有些重要的大電流或者是昂貴的電子設(shè)備中,,我們可以選取專門(mén)的IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)芯片,,可靠性很高,但是在一些低成本,,如家用電器中,這些驅(qū)動(dòng)模塊就不太實(shí)用了,。

  如圖1所示,,其中包括了IGBT的具體驅(qū)動(dòng)電路, 滿足了IGBT的驅(qū)動(dòng)要求,,采用的是單電源15V供電的方式,,IGBT的柵極電壓可以為15V和0V,可以保證IGBT的正常導(dǎo)通與關(guān)斷,,電路簡(jiǎn)單,,實(shí)用于低成本的家用電器控制器中。

  其中A點(diǎn)為IGBT的控制輸入信號(hào),。當(dāng)輸入高電平的時(shí)候,,Q4導(dǎo)通,則B點(diǎn)為高電平,,從而驅(qū)動(dòng)Q1導(dǎo)通,,Q2截止,使得D點(diǎn)電壓為+15V,,然后通過(guò)電阻 R2驅(qū)動(dòng)IGBT,,此時(shí)D4相當(dāng)于開(kāi)路,,R2為斷開(kāi)的。D1,、D2為15V的穩(wěn)壓二極管,,他們可以控制IGBT的G點(diǎn)在15V, 控制IGBT導(dǎo)通,。當(dāng)A 點(diǎn)輸入的是低電平,,Q4截止,B點(diǎn)為低電平,,從而驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通,,Q1截止,D點(diǎn)電平為低的,,這時(shí)R1與R2認(rèn)為是并聯(lián)的,,使得IGBT為截止?fàn)顟B(tài)。

  IGBT的保護(hù)電路

  首先是過(guò)流保護(hù)措施,,IGBT的短路電流的大小與柵極電壓有關(guān),,在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過(guò)減少柵極電壓來(lái)降低短路電流或延長(zhǎng)承受短路電流的時(shí)間,。在電磁振蕩過(guò)程中,,其振蕩頻率為30KHz~40KHz,在一個(gè)周期中,,IGBT開(kāi)通的時(shí)間大概是15~25μs,。當(dāng)發(fā)生過(guò)流情況時(shí),IGBT的C,、E兩端的電壓會(huì)升高,,使得D7相當(dāng)于斷開(kāi)了,這個(gè)時(shí)候IGBT為導(dǎo)通的,,B點(diǎn)電壓為15V,,二極管D6導(dǎo)通,然后通過(guò)R6,,R7為電容器C1充電,,如果過(guò)流時(shí)間超過(guò)2μs 后,C點(diǎn)的電壓使得穩(wěn)壓二極管D5導(dǎo)通,,導(dǎo)致Q3處于導(dǎo)通狀態(tài),,在電路中選用的穩(wěn)壓二極管D3為10V的,這樣由于D3的鉗位作用,,這樣有效地降低了 IGBT的柵極電壓VGE,,根據(jù)IGBT的驅(qū)動(dòng)特性,可以延長(zhǎng)IGBT的短路電流的承受時(shí)間。在電磁振蕩電路中,,IGBT開(kāi)啟的時(shí)間很短,,采取這樣降低柵極電壓的方法可以有效地保護(hù)器件。

  通過(guò)對(duì)接的兩個(gè)穩(wěn)壓二極管可以有效低鉗位D點(diǎn)的電壓不能超過(guò)15V,,在D點(diǎn)與地線之間接上一個(gè)幾十 KΩ的電阻,,這樣可以作為柵極驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)壓保護(hù)。在IGBT關(guān)斷的時(shí)候,,二極管D4導(dǎo)通,,則此時(shí)柵極電阻RG則相當(dāng)于是R1與R2兩個(gè)電阻并聯(lián)的電阻,這樣使得柵極電阻RG更小,,這樣可以有效地起到集電極電流變化過(guò)大保護(hù)作用,。此外在繪制PCB時(shí),在加粗地線的同時(shí)得注意驅(qū)動(dòng)電路與IGBT柵極,、發(fā)射極之間的距離,,盡量減小柵極與發(fā)射極的等效電感。

  

  圖 1 IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

  IGBT在電磁振蕩中的應(yīng)用

  圖2為電磁振蕩的原理圖,,其中包括電源主回路,、同步電路、脈寬調(diào)制電路,、IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路,。其中IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路是采用的圖1的方案。在完整的電磁振蕩電路中還包括電源電路,、電流負(fù)反饋電路,、過(guò)壓保護(hù)電路、以及單片機(jī)控制電路,。

  主回路中,,IGBT受到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為近似矩形的脈沖,當(dāng)IGBT導(dǎo)通的時(shí)候,,勵(lì)磁線圈L2的電流急劇增加,,能量以電感的電流形式保存起來(lái),,當(dāng)IGBT截止時(shí),,勵(lì)磁線圈L2與電容C3的并聯(lián)回路發(fā)生諧振,電壓可以超過(guò)1000V,。驅(qū)動(dòng)矩形脈沖信號(hào)的脈寬決定了電磁振蕩工作的功率,,但是這個(gè)寬度是通過(guò)同步電路和脈寬調(diào)制電路共同決定的。

  同步電路必須準(zhǔn)確監(jiān)視主回路工作狀況,,當(dāng)IGBT的集電極電壓下降接近0V時(shí),,勵(lì)磁線圈中電流正在反向減小,通過(guò)脈寬調(diào)制電路輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖,通過(guò)同步電路和脈寬調(diào)制電路組成的電路可以使驅(qū)動(dòng)脈沖再次加到IGBT的柵極,,強(qiáng)行使IGBT導(dǎo)通,。

  在脈寬調(diào)制電路中,通過(guò)改變 電平的值,,可以控制功率,,它是由單片機(jī)輸出與電流負(fù)反饋信號(hào)共同決定的。IC1和IC2為快速比較器LM319,。如圖2中所示,,當(dāng)V3》 時(shí),比較器的輸出端相當(dāng)于開(kāi)路,,通過(guò)外接上拉電阻,,可以得到高電平,從而驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通,,而當(dāng)V3《 時(shí),,比較器的輸出口相當(dāng)于接地,輸出為低電平,。

  

  圖2 電磁振蕩電路圖

  如圖2為電磁振蕩電路原理圖,,當(dāng)220V的交流電經(jīng)過(guò)硅橋(B1),再通過(guò)電容C1的濾波處理,,轉(zhuǎn)換成為直流電壓信號(hào),。勵(lì)磁線圈(爐盤(pán))和電容C3為并聯(lián)的,用以產(chǎn)生電磁振蕩,。

  圖3為電磁振蕩過(guò)程中的各點(diǎn)的波形,,這些信號(hào)都是在振蕩過(guò)程中相當(dāng)重要的,如果有一個(gè)信號(hào)出錯(cuò),,都會(huì)影響電磁振蕩的正常進(jìn)行,,其中包括了參考電源信號(hào)V1,電壓反饋信號(hào)V2,,以及同步結(jié)果信號(hào)V5,,控制功率的參考電壓信號(hào)Vref,以及IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)等,。

  t0 -t1過(guò)程:IGBT為截止?fàn)顟B(tài),,L、C正在發(fā)生振蕩,。首先,,在t0時(shí)刻,電路中的能量表現(xiàn)為電感L2的電流,,接下來(lái)能量通過(guò)電感轉(zhuǎn)向電容器,,即以電流的形式向電壓的形式轉(zhuǎn)換,,通過(guò)電容器C3與電感L2的并聯(lián)回路給電容充電。當(dāng)電容電壓達(dá)到最大值的時(shí)候,,如圖3中的V2的峰值時(shí)刻,,這時(shí)電容的電壓能夠達(dá)到 1000V,電感的電流為0,,接下來(lái)能量從電容C3轉(zhuǎn)向電感,。當(dāng)V2電壓低于比較的電壓信號(hào)V1時(shí),比較器1的輸出發(fā)生一次翻轉(zhuǎn),,此時(shí)電容C5迅速放電,,使得V3的電壓低于了功率參考電壓Vref,由于比較器2的作用,,強(qiáng)行使IGBT導(dǎo)通,。

  t1-t2過(guò)程:IGBT為導(dǎo)通狀態(tài),這個(gè)時(shí)間段內(nèi),,電感L2的電流急劇增加,,如圖3所示,反饋電壓V2接近0,,比較器1的輸出口V5也為低電平,。在這個(gè)時(shí)候,電容C5開(kāi)始充電,,當(dāng)這個(gè)電壓(V3)高于功率參考電壓Vref的時(shí)候,,比較器2的輸出口電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn),把IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓強(qiáng)行拉低了,,這就是一個(gè)IGBT導(dǎo)通的一個(gè)過(guò)程,。

  t0 -t2的過(guò)程就是一個(gè)電磁振蕩的過(guò)程,也是電磁振蕩的一個(gè)周期,,以后的過(guò)程與這段時(shí)間相同,,如圖3中,t2-t3過(guò)程與t0-t1過(guò)程完全相同,,t3- t4過(guò)程與t1-t2過(guò)程完全相同,。t0-t1的時(shí)間間隔取決于諧振線圈L2和諧振電容C3,所以這個(gè)電磁振蕩的頻率f主要取決于L2和C3,。

  

  圖3 電磁振蕩過(guò)程中的一些重要信號(hào)波形

  電壓V1,、V2的選取在整個(gè)系統(tǒng)中相當(dāng)重要,它關(guān)系到同步電路部分能否準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)主回路的狀態(tài),。在靜態(tài)的時(shí)候,,V2 要略高于V1,,以保證比較器1的輸出為高,。但是如果V2過(guò)高,R14選取相對(duì)過(guò)大,在振蕩的過(guò)程中,,會(huì)出現(xiàn)電容C3的電壓已降為0時(shí)不能及時(shí)驅(qū)動(dòng)IGBT,,使其導(dǎo)通,這樣不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)主回路的工作狀態(tài),。同樣如果R14與R12的匹配的值過(guò)小,,會(huì)提前促使IGBT導(dǎo)通,這樣一來(lái)由于反壓過(guò)高,,此時(shí)IGBT一旦導(dǎo)通,,就會(huì)被損壞。

  在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中,,得到了如圖4的數(shù)據(jù),,t1和t1’則并不是同一時(shí)刻,這是值得注意的,,這也是相當(dāng)重要的,。一個(gè)振蕩周期大概為40μs,如圖4中所示,, t1’要比t1滯后2個(gè)μs,,這個(gè)滯后是允許的,但是這個(gè)時(shí)間不能太長(zhǎng),。說(shuō)明在反饋電壓V2還沒(méi)有降到0的時(shí)候,,已經(jīng)又有信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT,使其導(dǎo)通,。首先這個(gè)時(shí)間是允許的,,因?yàn)镮GBT有一個(gè)柵極電壓VGE,這個(gè)電壓的具體值根據(jù)不同的器件而定的,,大概為2V~5V,,說(shuō)明在t1’時(shí)刻IGBT不一定已經(jīng)導(dǎo)通了。其次,,這個(gè)時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng),,如果過(guò)長(zhǎng)了,則會(huì)出現(xiàn)反饋電壓V2還沒(méi)有降到0,,就再次驅(qū)動(dòng)IGBT了,,這個(gè)時(shí)候IGBT的集電極還有很高的電壓,這樣一來(lái),,IGBT很可能受到損壞,。在實(shí)際的電路中,可以通過(guò)調(diào)節(jié)V1與V2的電壓來(lái)控制t1與t1’之間的時(shí)間間隔,,其中V1是一個(gè)參考電壓,,也就是一個(gè)基準(zhǔn)電壓,,V2是反饋電壓,通過(guò)使用比較器起到同步的作用,。

  

  圖4 把驅(qū)動(dòng)電壓與反饋電壓合成的效果圖

  結(jié)語(yǔ)

  該IGBT的驅(qū)動(dòng)電路具有廉價(jià),、簡(jiǎn)單、可靠實(shí)用的特點(diǎn),。沒(méi)有采用以往的正負(fù)電源供電的復(fù)雜電源,,而是采用的+15V與0V的驅(qū)動(dòng)方案,為設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便,。

  在保護(hù)電路中使用了延時(shí)緩降柵極電壓的過(guò)流保護(hù)措施,,結(jié)合電磁產(chǎn)品中的驅(qū)動(dòng)要求,這種保護(hù)措施是行之有效的,。同時(shí)還考慮到了柵極驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)壓保護(hù)和集電極電壓變化過(guò)快的保護(hù)措施,。

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