高壓大功率逆變電源過流保護電路的實現(xiàn)

張臻，金龍，趙劍鋒，陳瑋光

(東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

0 引言

相比于使用可控硅交流調(diào)壓方式的傳統(tǒng)電源，使用IGBT器件的開關(guān)電源輸出電壓波動小、平均電壓高、電源轉(zhuǎn)換效率高。IGBT器件控制方式靈活，使電源系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度，并且提高了逆變電源的工作頻率，減小了變壓器和濾波器的體積。

在高壓大功率的逆變電源中，IGBT往往承受較大的電流，可達100 A以上。IGBT過流是損壞IGBT的主要原因，過流保護不僅直接關(guān)系到IGBT器件本身的工作性能和運行安全，還影響到整個電源系統(tǒng)的性能和安全［1］。IGBT應(yīng)用是否成功在很大程度上取決于過流保護電路的優(yōu)劣。

IGBT集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE在數(shù)值上等于集電極電流與器件通態(tài)阻抗的乘積。因此，一旦IGBT過流，UCE會隨著集電極電流的增大而增大。常見的過流保護電路根據(jù)這一特性，通過檢測UCE來判斷IGBT是否過流［2-3］。

這種檢測方法使用分立器件，集成度較低。并且在閾值電壓以下，流過IGBT的電流可能已超過額定電流，如果這種狀態(tài)持續(xù)時間過長，IGBT有可能發(fā)生擎住鎖定，造成IGBT的損壞［4-5］。

本文設(shè)計的過流保護電路由過流信號產(chǎn)生電路和CPLD過流保護電路實現(xiàn)。由遲滯比較器構(gòu)成的硬件過流信號產(chǎn)生電路，可以可靠地產(chǎn)生過流信號，CPLD中的消抖電路可以提高電源系統(tǒng)的抗干擾性。在確認(rèn)故障排除后，DSP復(fù)位CPLD過流保護電路，使得電源系統(tǒng)重新正常工作。

1 電源系統(tǒng)原理

電源系統(tǒng)主電路如圖1所示，采用IGBT器件的逆變電源，輸入三相380 V，50 Hz的交流電，經(jīng)三相橋式不控整流電路整流成約520 V的直流電，再經(jīng)IGBT模塊逆變產(chǎn)生中頻或高頻的交流電，由變壓器升壓后，為負載提供高壓電源。

圖1 高壓大功率電源主電路

DSP控制器通過改變驅(qū)動脈沖寬度，經(jīng)隔離驅(qū)動電路驅(qū)動IGBT單相逆變電源，從而對輸出電壓、電流進行調(diào)節(jié)。逆變電源的輸出電壓、電流經(jīng)信號調(diào)理電路反饋至DSP控制板。

當(dāng)過流保護電路檢測到短暫的過流信號后，由CPLD封鎖一定時間IGBT的驅(qū)動信號，如果過流信號消失，DSP在一段時間后復(fù)位CPLD中的計數(shù)器;如果繼續(xù)產(chǎn)生過流信號，CPLD則進行跳閘保護，在確認(rèn)故障排除后，DSP復(fù)位CPLD過流保護電路，使電源系統(tǒng)繼續(xù)運行。

2 過流信號產(chǎn)生電路

流過IGBT的電流是變壓器的一次電流，通常超過100 A，需要對其進行檢測和保護。如圖2所示，電流互感器可以將此電流轉(zhuǎn)換為100 mA以內(nèi)的電流信號，通過采樣電阻對電流互感器副邊電流信號進行采樣，得到過流信號產(chǎn)生電路的輸入電壓Vin。輸入電壓Vin經(jīng)絕對值轉(zhuǎn)換電路得到輸入電壓的絕對值。同相電壓放大器將絕對值轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓放大K倍后，與2.5 V參考電壓通過比較器LM211進行比較。比較器LM211的電源電壓為 ±12 V，R1=5.1 kΩ，R2=51 kΩ，R3=10 kΩ，二極管 V1的導(dǎo)通壓降為0.7 V。

圖2 過流信號產(chǎn)生電路

圖2 所示的過流信號產(chǎn)生電路具有反相輸出的施密特觸發(fā)特性。當(dāng)輸入電壓Vin低于正向閾值電壓VT+時輸出高電平;Vin高于VT+時，輸出低電平。輸出電壓VO為低電平后，當(dāng)Vin低于負向閾值電壓VT-時，輸出電壓才再次回到高電平。這樣，一旦輸出過流信號后，即使輸入信號在正向閾值電壓附近有微小的干擾，只要干擾不超過回差電壓，輸出電壓就是穩(wěn)定的，增加了過流信號產(chǎn)生電路的抗干擾性，保證了一次電流真實降到2.5 V對應(yīng)的電流值時，過流信號才會消失。

當(dāng)VO輸出高電平時，設(shè)此時LM211 3腳電壓為VT+，流過二極管V1的電流為:

VO輸出低電平時，二極管V1不導(dǎo)通，VT-=2.5 V。

回差電壓 ΔV=VT+-VT-=0.68 V。

調(diào)節(jié)同相電壓放大電路增益K，可以調(diào)節(jié)過流保護閾值電流，閾值電流經(jīng)信號調(diào)理后得到的直流電壓放大K倍等于3.18 V。通過調(diào)節(jié)R1的阻值可以調(diào)節(jié)回差電壓。

3 CPLD過流保護電路

ALTERA公司的EPM240T100C5芯片有240個邏輯單元，時鐘頻率為50 MHz，一片CPLD芯片能夠以低成本實現(xiàn)較復(fù)雜的邏輯功能。

3.1 過流保護中的干擾和消抖電路

過流保護中的干擾主要是指出現(xiàn)過流，但在IGBT允許的時間內(nèi)自行消失的現(xiàn)象。如果此時保護電路將IGBT關(guān)斷，就相當(dāng)于造成一次沒有必要的擾動跳閘。因此，保護電路必須對真實的過流提供可靠的保護，而對尖峰等虛假的過流信號不與響應(yīng)。

為避免干擾信號造成誤跳閘，如圖3所示，本文設(shè)計了由D觸發(fā)器構(gòu)成的消抖電路。消抖電路的時鐘CLK2由50M八分頻得到。過流信號產(chǎn)生電路的輸出經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后得到信號GLXH，過流信號為低電平。當(dāng)出現(xiàn)過流信號后，在CLK2的第一個上升沿，第一個D觸發(fā)器D1輸出低電平，D2在CLK2的第二個上升沿輸出低電平，D8在CLK2第8個上升沿輸出低電平。從過流信號跳變?yōu)榈碗娖降絈8跳變?yōu)榈碗娖降难舆t時間為8*8=1.28 μs。本文設(shè)計的過流保護電路的響應(yīng)速度主要由消抖電路的延遲時間決定，1.28 μs在IGBT允許的過流時間之內(nèi)。

圖3 由D觸發(fā)器構(gòu)成的消抖電路

圖4 由SR鎖存器產(chǎn)生脈沖展寬電路輸入信號

圖4 所示的邏輯電路中，SR鎖存器的 RD’端由Q1和Q8的與邏輯決定，SR鎖存器的 SD’端由Q1’和 Q8’的與邏輯決定，SR鎖存器的輸出為脈沖展寬電路輸入信號Q。Q8和過流信號同時為低電平時認(rèn)為是有效的過流信號，在過流信號回到高電平時脈沖展寬電路輸入信號Q回到高電平。

消抖電路在Quartus II中的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。脈沖展寬電路輸入信號Q在過流信號延遲1.27 μs后輸出低電平，在過流信號回到高電平后輸出高電平。如果過流信號時間小于1 μs，脈沖展寬電路輸入信號Q一直為高電平，消抖電路不響應(yīng)小于 1.27 μs的過流信號。

3.2 脈沖展寬電路

如圖7所示，脈沖展寬電路的時鐘CLK1為50 MHz，由4個16進制計數(shù)器74161和兩個D觸發(fā)器組成。脈沖展寬電路輸入信號Q取反得到Q’，展寬脈沖由Q’的上升沿觸發(fā)。展寬脈沖為D觸發(fā)器D1的輸出，即SPWMEN1信號。IGBT驅(qū)動信號的封鎖信號由SPWMEN1和SPWMEN2的或邏輯決定，封鎖信號高電平有效。

在CLK1的上升沿，D1的輸出隨Q’發(fā)生跳變，控制計數(shù)器的使能。U1計滿16后，產(chǎn)生進位信號，接入U2的使能端，U2在每16個CLK1周期計數(shù)一次，U1～U4構(gòu)成了164分頻器。U4的進位信號產(chǎn)生復(fù)位信號CLR，使得D1的輸出變?yōu)榈碗娖?。所以，脈沖寬度為

圖8為脈沖展寬電路在Quartus II中的仿真波形，封鎖信號時間為 1.310 71 ms。

圖5 消抖電路對過流信號的響應(yīng)

圖6 消抖電路對干擾信號的響應(yīng)

圖7 脈沖展寬電路

圖8 脈沖展寬電路仿真波形

3.3 過流保護策略

如圖9所示，16進制計數(shù)器U1的QB輸出為SPWMEN2信號。

圖9 第一次過流和第二次過流處理電路

圖10 過流保護策略

過流保護策略如圖10所示。當(dāng)變壓器一次電流過流后，如果是第一次過流，并且不是干擾信號，CPLD過流保護電路封鎖1.311 ms IGBT驅(qū)動信號。計數(shù)器U1隨著Q’的上升沿計數(shù)，計數(shù)值變?yōu)?。第二次過流后，U1計數(shù)值變?yōu)?。由于U1將Q’和QB相或接至計數(shù)器的CLK，在計數(shù)值達到2后，CLK一直為高電平，SPWMEN2也一直為高電平，驅(qū)動信號一直被封鎖，直至DSP產(chǎn)生復(fù)位信號DSP_CLR。

計數(shù)器U1的QA和QB分別接至DSP的GPIO引腳，從而DSP可以檢測到是第一次過流還是第二次過流。在檢測到第一次過流后，DSP在一段時間后復(fù)位U1。如果在這段時間內(nèi)又產(chǎn)生過流信號，說明IGBT仍然過流，U1計數(shù)值達到2后一直封鎖IGBT驅(qū)動信號，DSP將不產(chǎn)生復(fù)位信號。直到電源系統(tǒng)狀態(tài)正常后，DSP再次產(chǎn)生復(fù)位信號，使得U1復(fù)位，電源系統(tǒng)繼續(xù)工作。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的過流保護電路可以向DSP反饋過流故障信號，但不依賴于芯片對電流的檢測，在DSP死機的極端情況下，能可靠地對IGBT的驅(qū)動信號實現(xiàn)封鎖，從而保證電源系統(tǒng)的安全。僅在電源系統(tǒng)確實存在的持續(xù)短路過流時才進行跳閘保護，對于瞬態(tài)電流尖峰等干擾性過流信號，具有較強的抗干擾能力。CPLD芯片擁有高性價比的集成度，以低成本增加了控制系統(tǒng)的靈活性，便于調(diào)試和裝置升級。與檢測IGBT集電極、發(fā)射極間電壓的過流保護方法相比，具有更高的可靠性、抗干擾性和靈活性。

［1］劉云峰，陳國平.IGBT的過流保護策略［J］.電子器件，1999，22(1):31-39.

［2］LOCHER R.Short circuit proof IGBTs simplify overcurrent Protection［C］.Industry Applications Society Annual Meeting，1991，(s):1497-1500.

［3］張海亮，陳國定，夏德印.IGBT過流保護電路設(shè)計［J］.機電工程，2012，29(8):966-970.

［4］CHOKHAWALA R，CASTINO G.IGBT fault current limiting circuit［J］.IEEE Industry Applications Magazine，1995，1(5):30-35.

［5］CHOKHAWALA R S，CATT J，KIRALY L.A discussion on IGBT shortcircuit behavior and fault protection schemes［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1995，31(2):256-263.