基于IGBT的電磁振蕩設計(05-100)

前言

IGBT是絕緣柵極雙極型晶體管。它是一種新型的功率開關器件，電壓控制器件,具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性強、耐壓高方面的優(yōu)點，因此在現(xiàn)實電力電子裝置中得到了廣泛的應用。在我們的設計中使用的是西門子公司生產(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的IGBT。對于IGBT的驅(qū)動電路模塊，市場上也有賣的，其中典型的是EXB840、2SD315A、IR2130等等。但是在家用電器中，考慮到驅(qū)動保護特性，以及成本方面的因數(shù)，設計出了一種簡單實用的驅(qū)動保護電路。

通過電磁振蕩產(chǎn)生的強大磁場，然后作用在鍋具(磁性的)上形成渦流，實現(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)點更顯著，熱效率一般能夠達到90%多，所以在人們的日常生活中得到了廣泛的應用。目前，這種電磁振蕩方案以其結(jié)構(gòu)簡單清晰、可靠性高、成本低的特點，在實際中已經(jīng)得到了廣泛的應用。而且這種IGBT驅(qū)動保護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)動保護電路

IGBT的驅(qū)動電路

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

如圖1所示，其中包括了IGBT的具體驅(qū)動電路， 滿足了IGBT的驅(qū)動要求，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的正常導通與關斷，電路簡單，實用于低成本的家用電器控制器中。

其中A點為IGBT的控制輸入信號。當輸入高電平的時候，Q4導通，則B點為高電平，從而驅(qū)動Q1導通，Q2截止，使得D點電壓為+15V，然后通過電阻R2驅(qū)動IGBT，此時D4相當于開路，R2為斷開的。D1、D2為15V的穩(wěn)壓二極管，他們可以控制IGBT的G點在15V, 控制IGBT導通。當A點輸入的是低電平，Q4截止，B點為低電平，從而驅(qū)動Q2導通，Q1截止，D點電平為低的，這時R1與R2認為是并聯(lián)的，使得IGBT為截止狀態(tài)。

IGBT的保護電路

首先是過流保護措施，IGBT的短路電流的大小與柵極電壓有關,在實際應用中,可以通過減少柵極電壓來降低短路電流或延長承受短路電流的時間。在電磁振蕩過程中，其振蕩頻率為30KHz～40KHz，在一個周期中，IGBT開通的時間大概是15~25μs。當發(fā)生過流情況時，IGBT的C、E兩端的電壓會升高，使得D7相當于斷開了，這個時候IGBT為導通的，B點電壓為15V，二極管D6導通，然后通過R6,R7為電容器C1充電，如果過流時間超過2μs后，C點的電壓使得穩(wěn)壓二極管D5導通，導致Q3處于導通狀態(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)動特性，可以延長IGBT的短路電流的承受時間。在電磁振蕩電路中，IGBT開啟的時間很短，采取這樣降低柵極電壓的方法可以有效地保護器件。

通過對接的兩個穩(wěn)壓二極管可以有效低鉗位D點的電壓不能超過15V,在D點與地線之間接上一個幾十KΩ的電阻，這樣可以作為柵極驅(qū)動電壓的過壓保護。在IGBT關斷的時候，二極管D4導通，則此時柵極電阻RG則相當于是R1與R2兩個電阻并聯(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大保護作用。此外在繪制PCB時，在加粗地線的同時得注意驅(qū)動電路與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)動保護電路

IGBT在電磁振蕩中的應用  

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)動保護電路。其中IGBT的驅(qū)動保護電路是采用的圖1的方案。在完整的電磁振蕩電路中還包括電源電路、電流負反饋電路、過壓保護電路、以及單片機控制電路。

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

同步電路必須準確監(jiān)視主回路工作狀況，當IGBT的集電極電壓下降接近0V時，勵磁線圈中電流正在反向減小，通過脈寬調(diào)制電路輸出一個觸發(fā)脈沖，通過同步電路和脈寬調(diào)制電路組成的電路可以使驅(qū)動脈沖再次加到IGBT的柵極，強行使IGBT導通。
在脈寬調(diào)制電路中，通過改變 電平的值，可以控制功率，它是由單片機輸出與電流負反饋信號共同決定的。IC1和IC2為快速比較器LM319。如圖2中所示，當V3> 時，比較器的輸出端相當于開路，通過外接上拉電阻，可以得到高電平，從而驅(qū)動IGBT導通，而當V3<  時，比較器的輸出口相當于接地，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220V的交流電經(jīng)過硅橋（B1），再通過電容C1的濾波處理，轉(zhuǎn)換成為直流電壓信號。勵磁線圈（爐盤）和電容C3為并聯(lián)的，用以產(chǎn)生電磁振蕩。

圖3為電磁振蕩過程中的各點的波形，這些信號都是在振蕩過程中相當重要的，如果有一個信號出錯，都會影響電磁振蕩的正常進行，其中包括了參考電源信號V1，電壓反饋信號V2，以及同步結(jié)果信號V5，控制功率的參考電壓信號Vref，以及IGBT的驅(qū)動信號等。

t0－t1過程：IGBT為截止狀態(tài)，L、C正在發(fā)生振蕩。首先，在t0時刻，電路中的能量表現(xiàn)為電感L2的電流，接下來能量通過電感轉(zhuǎn)向電容器，即以電流的形式向電壓的形式轉(zhuǎn)換，通過電容器C3與電感L2的并聯(lián)回路給電容充電。當電容電壓達到最大值的時候，如圖3中的V2的峰值時刻，這時電容的電壓能夠達到1000V，電感的電流為0，接下來能量從電容C3轉(zhuǎn)向電感。當V2電壓低于比較的電壓信號V1時，比較器1的輸出發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，此時電容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，強行使IGBT導通。

t1－t2過程：IGBT為導通狀態(tài)，這個時間段內(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。在這個時候，電容C5開始充電，當這個電壓（V3）高于功率參考電壓Vref的時候，比較器2的輸出口電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)，把IGBT的驅(qū)動電壓強行拉低了，這就是一個IGBT導通的一個過程。

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

     
圖3  電磁振蕩過程中的一些重要信號波形

電壓V1、V2的選取在整個系統(tǒng)中相當重要，它關系到同步電路部分能否準確監(jiān)測主回路的狀態(tài)。在靜態(tài)的時候，V2 要略高于V1，以保證比較器1的輸出為高。但是如果V2過高，R14選取相對過大，在振蕩的過程中，會出現(xiàn)電容C3的電壓已降為0時不能及時驅(qū)動IGBT，使其導通，這樣不能準確監(jiān)測主回路的工作狀態(tài)。同樣如果R14與R12的匹配的值過小，會提前促使IGBT導通，這樣一來由于反壓過高，此時IGBT一旦導通，就會被損壞。

在反復的實驗中，得到了如圖4的數(shù)據(jù)，t1和t1’則并不是同一時刻，這是值得注意的，這也是相當重要的。一個振蕩周期大概為40μs，如圖4中所示，t1’要比t1滯后2個μs，這個滯后是允許的，但是這個時間不能太長。說明在反饋電壓V2還沒有降到0的時候，已經(jīng)又有信號驅(qū)動IGBT，使其導通。首先這個時間是允許的，因為IGBT有一個柵極電壓VGE，這個電壓的具體值根據(jù)不同的器件而定的，大概為2V～5V，說明在t1’時刻IGBT不一定已經(jīng)導通了。其次，這個時間不易過長，如果過長了，則會出現(xiàn)反饋電壓V2還沒有降到0，就再次驅(qū)動IGBT了，這個時候IGBT的集電極還有很高的電壓，這樣一來，IGBT很可能受到損壞。在實際的電路中，可以通過調(diào)節(jié)V1與V2的電壓來控制t1與t1’之間的時間間隔，其中V1是一個參考電壓，也就是一個基準電壓，V2是反饋電壓，通過使用比較器起到同步的作用。

圖4  把驅(qū)動電壓與反饋電壓合成的效果圖

結(jié)語

該IGBT的驅(qū)動電路具有廉價、簡單、可靠實用的特點。沒有采用以往的正負電源供電的復雜電源，而是采用的+15V與0V的驅(qū)動方案，為設計帶來了方便。

在保護電路中使用了延時緩降柵極電壓的過流保護措施，結(jié)合電磁產(chǎn)品中的驅(qū)動要求，這種保護措施是行之有效的。同時還考慮到了柵極驅(qū)動電壓的過壓保護和集電極電壓變化過快的保護措施。