【導(dǎo)讀】逆變電源是一種較為常見(jiàn)的電流轉(zhuǎn)換電源,在替換之后的開(kāi)機(jī)帶載很有可能發(fā)生炸機(jī),想要避免這種情況，可以從峰值電流保護(hù)入手，做好驅(qū)動(dòng)和保護(hù)就能保證IGBT不會(huì)爆炸，本篇文章詳解了這種逆變H橋IGBT單管驅(qū)動(dòng)保護(hù)的方法。
逆變電源是一種較為常見(jiàn)的電流轉(zhuǎn)換電源，它能夠?qū)⑵胀ǖ闹绷麟娹D(zhuǎn)換為所需的交流電。在逆變電源的H橋當(dāng)中，有時(shí)需要將電路中的MOS管替換為IGBT。但在替換之后的開(kāi)機(jī)帶載很有可能發(fā)生炸機(jī)。
想要避免這種情況，可以從峰值電流保護(hù)入手，做好驅(qū)動(dòng)和保護(hù)就能保證IGBT不會(huì)爆炸，本篇文章詳解了這種逆變H橋IGBT單管驅(qū)動(dòng)保護(hù)的方法，希望能對(duì)大家有所幫助。
被人們熟知的逆變電源H橋電路，也可稱為逆變電源的后級(jí)。本設(shè)計(jì)中需要加上IGBT，同樣電流容量的IGBT單管，比同樣電流容量的MOSFET要脆弱，也就是說(shuō)，在逆變H橋里同樣的電流容量下，MOSFET的承受能力要比IGBT高。
也許有的朋友會(huì)認(rèn)為一個(gè)IRFP460，20A/500V的MOSFET，再加上SGH40N60UFD 40A/600V的IGBT應(yīng)該足以防止爆炸的發(fā)生，但實(shí)際情況卻是，帶載之后突然加負(fù)載和撤銷(xiāo)負(fù)載，之后就炸機(jī)了。
通過(guò)不斷的實(shí)踐后，其實(shí)只要遵循特定的規(guī)律，完全可以防止炸機(jī)的發(fā)生。就是采用峰值電流保護(hù)的措施就能讓IGBT不會(huì)炸。我們將這個(gè)問(wèn)題看出幾個(gè)部分來(lái)解決：驅(qū)動(dòng)電路；電流采集電路；保護(hù)機(jī)制。
驅(qū)動(dòng)電路
這次采用的IGBT為IXGH48N60B3D1，驅(qū)動(dòng)電路如下：
圖1 IXGH48N60B3D1驅(qū)動(dòng)電路圖
這是一個(gè)非常典型的應(yīng)用電路，完全可以用于IGBT或者M(jìn)OSFET，但是也有些不一樣的地方。
從整體來(lái)看，這個(gè)電路并沒(méi)有保護(hù)，用在逆變電源上肯定會(huì)炸機(jī)。所以我們要做的就是將這個(gè)電路的實(shí)質(zhì)摸清楚。
在圖1當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)電阻R2在驅(qū)動(dòng)里頭非常重要，D1配合關(guān)閉的時(shí)候，讓IGBT的CGE快速的放電，但在這里需要說(shuō)明的是，這個(gè)D1可以根據(jù)需要進(jìn)行添加，可在D1回路里頭串聯(lián)一個(gè)電阻做0FF關(guān)閉時(shí)候的柵極電阻。
波形圖片和實(shí)例
圖2
圖2是波形圖，是在不同的柵極電阻下，與*HV+400V共同產(chǎn)生作用的時(shí)上下2個(gè)IGBT柵極的實(shí)際情況。
圖2（a）是在取消負(fù)壓的時(shí)候，上下2管之間的柵極波形，柵極電阻都是在10R情況下。在不加DC400V情況下測(cè)量2管G極波形，圖2（b）是在DC400V情況下，2管的柵極波形。
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為何第二個(gè)圖會(huì)有一個(gè)尖峰呢?這個(gè)要從IGBT的內(nèi)部情況說(shuō)起，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，IGBT的GE上有一個(gè)寄生的電容，它和另外的CGC一個(gè)寄生電容共同組成一個(gè)水池子，那就是QG，其實(shí)這個(gè)和MOSFET十分接近。
那么在來(lái)看看為何400V加上去就會(huì)在下管上的G級(jí)上產(chǎn)生尖峰。
圖3
如圖3所示，當(dāng)上管開(kāi)通的時(shí)候，此時(shí)是截止的，由于上管開(kāi)通的時(shí)候，要引入DV/DT的概念，這個(gè)比較抽象，先不管它，簡(jiǎn)單通俗的說(shuō)就是上管開(kāi)通的時(shí)候，上管等效為直通了，+DC400V電壓立馬加入到下管的C級(jí)上，這么高的電壓立刻從IGBT的寄生電容上通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，這個(gè)感應(yīng)電流圖3有公式計(jì)算，這個(gè)電流在RG電阻和驅(qū)動(dòng)內(nèi)阻的共同作用下，在下管的柵極上構(gòu)成一個(gè)尖峰電壓，如上面那個(gè)示波器的截圖所示。到目前為止，都還沒(méi)有提到米勒電容的概念，但是只要理解了這些，然后對(duì)著規(guī)格書(shū)一看，米勒電容是什么，對(duì)電路有何影響，就容易理解多了。
這個(gè)尖峰有許多壞處，從上面示波器截圖可以看出來(lái)，在尖峰時(shí)刻，下管實(shí)際上已經(jīng)到7V電壓，也就是說(shuō)在尖峰的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，上下2個(gè)管子是共同導(dǎo)通的。下管的導(dǎo)通時(shí)間短，但是由于有TON的時(shí)間關(guān)系在里面，所以這個(gè)電流不會(huì)太大。管子不會(huì)炸但會(huì)發(fā)熱，隨著傳輸?shù)墓β试酱螅@個(gè)情況會(huì)更加嚴(yán)重，大大影響效率。
本來(lái)是要發(fā)出加入負(fù)壓之后波形照片，負(fù)壓可以使這個(gè)尖峰在安全的電平范圍內(nèi)。示波器需要U盤(pán)導(dǎo)出位圖。
電流采集電路
經(jīng)過(guò)上面的步驟，講到電源保護(hù)已經(jīng)不遠(yuǎn)了。建議是電流采集速度要很快，這樣才能在過(guò)流或短路的時(shí)候迅速告訴后面的電路。這里需要注意的問(wèn)題是如何讓IGBT迅速安全的關(guān)閉。
這個(gè)電路該如何實(shí)現(xiàn)呢?對(duì)于逆變電路，我們可以直接用電阻采樣，也可以用VCE管壓降探測(cè)方式。真正實(shí)際應(yīng)用過(guò)，測(cè)試過(guò)的電路（專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片例外），這是因?yàn)槊糠N實(shí)際應(yīng)用的參數(shù)大不一樣，比如IGBT參數(shù)不同，需要調(diào)整的參數(shù)很多，需要一定的經(jīng)驗(yàn)做調(diào)整。
可以使用圖4這種電路，采用電阻檢測(cè)電流，短路來(lái)時(shí)可以在電阻上產(chǎn)生壓降，用比較器和這個(gè)電壓進(jìn)行比較，得出最終是否有過(guò)流或者短路信號(hào)。
圖4
圖4原理非常簡(jiǎn)單，就一個(gè)比較的作用，大家實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)非常容易，沒(méi)有多少參數(shù)可以調(diào)整的。圖4中采樣H橋?qū)Φ氐碾娏鳎e個(gè)例子：如果IGBT是40A，可以采取2倍左右的峰值電流，也就是80A，對(duì)應(yīng)圖4，RS為0.01R，如果流入超過(guò)80A脈沖電流那么在該電阻上產(chǎn)生0.01R*80A=0.8V電壓，此電壓經(jīng)過(guò)R11，C11消隱之后到比較器的+端，與來(lái)自-端的基準(zhǔn)電壓相比較，圖上的-端參考電阻設(shè)置不對(duì)，實(shí)際中請(qǐng)另外計(jì)算，本例可以分別采用5.1K和1K電阻分壓變成0.81V左右到-端，此時(shí)如果采樣電阻RS上的電壓超過(guò)0.8V以上，比較器立即翻轉(zhuǎn)，輸出SD 5V電平到外部的電路中。這個(gè)變化的電平信號(hào)就是我們后面接下來(lái)需要使用的是否短路過(guò)流的信號(hào)了。
有了這個(gè)信號(hào)了，那我們?nèi)绾侮P(guān)閉IGBT呢?我們可以看情形是否采取軟關(guān)閉，也可以采取直接硬關(guān)閉。
采取軟關(guān)閉，可以有效防止在關(guān)閉的瞬間造成電路的電壓升高的情況，關(guān)閉特性非常軟，很溫柔，非常適合于*大功率的驅(qū)動(dòng)電路。
如果采取硬關(guān)閉，可能會(huì)造成*DC上的電壓過(guò)沖，比如第一圖中的DC400V*可能變成瞬間變成DC600V也說(shuō)不定，一些資料上的記載讓人非常難以理解。
如果大家難以理解，可以做個(gè)試驗(yàn)，以水塔為例，水塔在很高的樓上，水龍頭在一樓，打開(kāi)水龍頭，水留下來(lái)了，然后用極快的速度關(guān)閉這個(gè)水龍頭，會(huì)聽(tīng)到水管子有響聲，連水管子都會(huì)要震動(dòng)一下，管子能抗過(guò)去，比如在直流*母線上并聯(lián)了非常好的吸收電容，有多重吸收電路等等……
否則，管子關(guān)閉的時(shí)候會(huì)失效，關(guān)了也沒(méi)有用，IGBT還是會(huì)被過(guò)沖電壓擊穿短路，而且這個(gè)短路是沒(méi)有辦法恢復(fù)的，會(huì)立即損壞非常多的電路。有時(shí)候沒(méi)有過(guò)壓也能引起這種現(xiàn)象，這個(gè)失效的原理具體模型本人未知，但是可以想象的是可能是由于管子相關(guān)的其他寄生電容和米勒電容共同引起失效的，或者是由于在過(guò)流，短路信號(hào)發(fā)生時(shí)候，IGBT已經(jīng)發(fā)生了擎柱效應(yīng)就算去關(guān)，關(guān)也關(guān)不死了。
還有第三種方式，是叫做：二級(jí)關(guān)閉，這種方式簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是檢測(cè)到了短路，過(guò)流信號(hào)，PWM此時(shí)這個(gè)脈沖并沒(méi)有打算軟關(guān)閉或直接關(guān)閉，而是立即將此時(shí)刻對(duì)應(yīng)的VGE驅(qū)動(dòng)脈沖電壓降低到8V左右以此來(lái)判斷是否還是在過(guò)流或短路區(qū)域，如果還是，繼續(xù)沿用這個(gè)8V的驅(qū)動(dòng)，一直到設(shè)定的時(shí)間，比如多個(gè)us還是這樣就會(huì)立即關(guān)了，如果是，PWM將會(huì)恢復(fù)正常。這種方式一般可能見(jiàn)到不多，所以我們不做深入研究。
理解了這些，我們可以看情況來(lái)具體采用那些關(guān)閉的方式，我認(rèn)為在2KW級(jí)別中，DC380V內(nèi)，直接采取硬關(guān)閉已經(jīng)可以滿足要求了，只需要在H橋上并聯(lián)吸收特性良好的一個(gè)電容，就可以用600V的IGBT了。
至關(guān)重要的是，在對(duì)逆變電源的IGBT進(jìn)行檢測(cè)的時(shí)候一定要眼疾手快，在檢測(cè)時(shí)也是如此，在檢測(cè)完成之后要盡快關(guān)閉。這樣才能保證IGBT不會(huì)被燒毀。本篇文章從電路開(kāi)始講起，針對(duì)于逆變電源的IGBT的炸機(jī)問(wèn)題，從波形、電流采集電路這幾個(gè)方面給出了經(jīng)驗(yàn)建議，希望大家能從中獲得炸機(jī)的解決方法。
