一種驅動模塊集成保護單元的分析與應用

鄭強

（第七一五研究所，杭州，310023）

一種驅動模塊集成保護單元的分析與應用

鄭強

（第七一五研究所，杭州，310023）

分析了集成驅動器2SD106AI保護單元的工作原理。在實際應用中，介紹了多種參數(shù)下電路的工作性能，結合具體的應用場合給出了最佳的電路參數(shù)。

驅動器；過流保護；保護門限

逆變電路的傳統(tǒng)過流保護是通過霍爾器件采樣直流輸入端電流，判斷電流值的大小實施過流保護。這種方法受霍爾器件頻率范圍及采樣電流尖峰脈沖的影響，其應用范圍受限。驅動器2SD106AI內(nèi)部集成了過流保護的功能，通過采樣流過功率管集電極的電流，計算功率管導通壓降，完成功放電路過流保護功能。驅動器集成度高，設計靈活，可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)控制領域應用及其廣泛。

1 工作原理

1.1 保護信號產(chǎn)生原理

保護電路由驅動器2SD106AI內(nèi)部的IGD001模塊、外圍二極管、電阻等電路組成，電路簡圖如圖1所示[1]。

圖1 2SD106AI保護電路簡圖

IGD001為2SD106AI內(nèi)部一片集成智能柵極驅動模塊，主要完成驅動信號的傳輸放大、過流保護、保護鎖定時間、狀態(tài)信息采集、電源檢測等功能。圖中D1為比較器；D2、D3為電流源；V3為主功率器件IGBT；V1、V2為具有高反向擊穿耐壓的二極管，保護驅動器的Cx管腳免受功率管V3關斷時集電極高壓的沖擊；RGx為柵極電阻；Rth1為保護門限電阻。

驅動器過流保護信號產(chǎn)生原理簡述如下：當IGBT開始關斷時，measuring迅速輸出電流導致三極管D4開通，Ca電容通過三極管與工作地構成回路放電，不產(chǎn)生保護信號；此時比較器正極被強制拉地，當IGBT開始導通時，measuring不輸出，三極管D4截止。1.4 mA電流源向Ca電容充電，Ca電容通過V1、V2兩個二極管及V3到EX端構成回路，此時比較器的正極電壓即IGD001模塊的4腳電壓等于Rm、V1、V2兩端電壓加上功率管V3的飽和壓降：

比較器的負極即IGD001模塊的5腳電壓為保護閥值電阻Rth1兩端電壓。

電路正常工作時，V4pin〈V5pin，比較器輸出低電平；當電路過流時，Vce增大，導致V4pin增大，當V4pin〉V5pin時，比較器輸出高電平，驅動器SO1、SO2腳送出保護信號，保護鎖定時間功能開啟，并在鎖定時間內(nèi)使驅動器鎖定功率管V3，而不再輸出驅動信號。

1.2 保護信號處理

驅動器SO1、SO2腳送出的保護信號是一個脈寬為1 μs左右的負脈沖信號，需要對其進行整形、拓寬處理以方便工程使用。通過上拉一個電阻到電源，下拉一個電容并聯(lián)電阻的電路對保護信號預整形，再通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098BF3A對其進行拓寬，將其脈寬展寬至10 s左右。將此信號和驅動信號相與可在硬件上實現(xiàn)過流保護發(fā)生時關斷驅動信號、保護電路的目的。將此信號送至CPU，CPU可據(jù)此判斷功放電路故障，關斷信號，從而在軟件上實現(xiàn)保護電路的目的。電路簡圖如圖2所示。

圖2 脈沖拓寬電路

2 工程應用

由上述原理可知，Rth1的值可根據(jù)V4pin〉V5pin選取，即要滿足2.25 V+Vce〉Rth1×0.15 mA的要求，器件手冊給出了22～67 k?的取值范圍[1]。在聲吶發(fā)射機應用中情況更加復雜。換能器作為聲吶發(fā)射機的負載，其電容特性易引起電流突變，等效阻抗易受水溫、互輻射等因素的影響而顯著變化。故在聲吶發(fā)射機的應用中Rth1的取值要偏大一些，一般在22～80 k?之間，這樣可以有效防止正常工作時驅動器誤保護，提高電路工作可靠性。

為摸索在具體應用中保護門限電阻Rth1的取值規(guī)律，選取聲吶發(fā)射機作為實驗平臺。試驗條件：直流輸入電壓，266 V；發(fā)射信號頻率，調(diào)頻3.8～5.2 kHz；負載560 ?電阻。試驗內(nèi)容為測量電路分別在正常工作和負載短路時IGD001的4腳和5腳電壓V4pin、V5pin等參數(shù)。用示波器觀察保護閥值電阻Rth1為53.6 k?、68 k?、75 k?時正常工作和負載短路時IGD001模塊的4腳和5腳電壓，結果如表1所示。

表1 各種情況下IGD001模塊的4腳和5腳電壓

3 結論

分析表1可看出，保護閥值電阻Rth1取53.6 k?和68 k?時，V4pin〉V5pin，電路保護；保護閥值電阻Rth1取75 k?時，V4pin〈V5pin，電路無法保護。實驗結果符合1.1節(jié)中的分析理論，可以看出上述電路中Rth1選取68 k?比較合適。當負載由單路的電阻換成聲吶換能器基陣后上述情況會發(fā)生變化。聲吶換能器等效阻抗易受水溫、互輻射等因素的影響而顯著變化，此時容易發(fā)生正常工作時發(fā)射機誤保護的現(xiàn)象。適當增加保護閥值電阻Rth1取值，其值取在68 ～75 k?之間較為合適。

[1]CT-Concept Technologiy Ltd.DUAL SCALE Driver 2SD106AI-17 datasheet[Z].2000.