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[導讀]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)省材料和易于自動化等特點。IGBT是一種用MOS管來控制晶體管的電力電子器件,具有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點。本文從實際應用出發(fā),總

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)省材料和易于自動化等特點。IGBT是一種用MOS管來控制晶體管的電力電子器件,具有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點。本文從實際應用出發(fā),總結了過壓、過流與過熱保護的相關問題和各種保護方法,適用性強、應用效果好。

  中頻電阻焊機逆變電源
 

  中頻逆變直流電阻焊機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,供給焊機的電極,對工件進行焊接(見圖1)??刂齐娐凡糠钟蒁SP和CPLD組成,DSP(TMS320LF2407A)產(chǎn)生的PWM波和檢測信號、保護信號在CPLD(EPM7128S)里現(xiàn)實邏輯運算。

  逆變器通常采用電流反饋實現(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初級為逆變器輸出中頻電壓,變壓器次級電流為I次級,控制PWM的脈寬可以控制I次級的大小,逆變電流采用全橋結構,主要優(yōu)點是主變壓器工作效率高,其主電路由4個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,電路的可靠性來自IGBT的穩(wěn)定運行。

  

 

  保證IGBT在安全工作范圍內(nèi)并處于較好狀態(tài)下,是提高整機可靠性的關鍵技術,而對IGBT的保護,主要包括過電流保護,過電壓保護和IGBT過熱保護。

  IGBT的保護措施

  IGBT的過電流保護

  IGBT的大功率管通常只能承受10μs以下的短路電流,當IGBT遇到過流或短路時,若不加保護或保護不當,就會使IGBT損壞。

  M57962AL是IGBT專用驅(qū)動模塊,它采用雙電源驅(qū)動結構,內(nèi)部集成有2500V高隔離電壓的光耦合器和過電流保護電路,以及過電流保護輸出信號端子和與TTL電平相兼容的輸入接口,本文主要應用M57962AL來實現(xiàn)驅(qū)動和過電流保護功能,電路見圖2。

  

 

  圖2所示的IGBT驅(qū)動與保護電路的工作原理為:驅(qū)動信號輸入后,經(jīng)過高速光耦隔離,由M57962AL內(nèi)置接口電路傳至功放級,在M57962AL的5腳產(chǎn)生+15V開柵和-10V關柵電壓,驅(qū)動IGBT導通與關斷。當過流發(fā)生時,IGBT的Uce會顯著高于正常導通值,飽和壓降一般為7V以上,就發(fā)生退飽和現(xiàn)象,此時,M57962AL的保護電路檢測出IGBT的柵極和集電極同為高電平,判斷系統(tǒng)過流,M57962AL內(nèi)置定時器,通過關柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值,同時發(fā)出故障信號,使8腳變?yōu)榈碗娖?如為瞬間過流,且在10μs內(nèi),1端回到低電平,則保護復位,電路恢復常態(tài)),輸出短路故障信號(低電平),保護信號傳到控制電路,立即關閉PWM的輸出,即驅(qū)動信號關斷,從而起到保護IGBT的作用。

  IGBT的過電壓保護

  關斷IGBT時,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的開關速度,從而增加開關損耗,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,就構成了RC吸收電路,由于RS的串入,使IGBT關斷時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,同時對開通時的電流尖峰又有抑制作用。

  IGBT的過熱保護

  由于IGBT是大功率半導體器件,損耗功率使其發(fā)熱較多,加之IGBT的結溫不能超過125攝氏度,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。

  本文采用普通散熱器與強迫風冷相結合的措施,并在控制電路上加過熱檢測保護電路,應付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,供控制電路處理(見圖4)。 U11為LM393AN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來調(diào)節(jié)動作門檻值。電路正常工作時,2點電位比3點電位低,1點輸出信號THP為高電平,THP信號在CPLD(EPM7128S)中與PWM信號相與,當器件溫度超過極限時,熱敏電阻值升高,2點電位高于3點電位,1點輸出低電平,經(jīng)CPLD封鎖PWM脈沖信號,驅(qū)動輸出低電平,從而關斷IGBT,實現(xiàn)過熱保護。

  

 [!--empirenews.page--]實驗結果與分析

 

  根據(jù)以上各種保護電路,結合圖1主電路,構成本實驗電路。加壓后使其工作,采用示波器TDS3014B觀察和記錄實驗波形。記錄的波形為驅(qū)動輸出連接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)動電壓信號為+15V、-9V。能通過調(diào)節(jié)PWM的寬度來調(diào)節(jié)IGBT的開關時間,從而調(diào)節(jié)次級直流電流的大小,圖6為發(fā)生短路的情況,當M57962AL檢測到過流發(fā)生時,迅速產(chǎn)生短路保護信號short1,并將其送給DSP2407A,立即關閉PWM的輸出。

  

 

  結語

  本設計不僅保護了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,從實際運用情況看,設計的保護電路實現(xiàn)了可靠有效的保護。

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