中頻電阻焊機電源的IGBT保護方法
引言
電阻焊是一種重要的焊接工藝，具有生產效率高、成本低、節省材料和易于自動化等特點，中頻直流逆變電阻焊接電源作為一種新型的控制電源，以其顯著的高質低耗的特點成為電阻焊電源的發展方向。
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，但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現意外就容易損壞，為此，必須對IGBT進行保護，本文從實際應用出發，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整流電路和濾波電容轉換成直流電源，再經由功率開關器件組成的逆變電路轉換成中頻方波電源，然后輸入變壓器降壓后，經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）產生的PWM波和檢測信號、保護信號在CPLD（EPM7128S）里現實邏輯運算。
逆變器通常采用電流反饋實現PWM，以獲得穩定的恒定電流輸出，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，將直流電壓轉換成中頻方波交流電壓并送中頻變壓器，經降壓整流濾波后輸出，電路的可靠性來自IGBT的穩定運行。
保證IGBT在安全工作范圍內并處于較好狀態下，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專用驅動模塊，它采用雙電源驅動結構，內部集成有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來實現驅動和過電流保護功能，電路見圖2。
圖2所示的IGBT驅動與保護電路的工作原理為：驅動信號輸入后，經過高速光耦隔離，由M57962AL內置接口電路傳至功放級，在M57962AL的5腳產生+15V開柵和-10V關柵電壓，驅動IGBT導通與關斷。當過流發生時，IGBT的Uce會顯著高于正常導通值，飽和壓降一般為7V以上，就發生退飽和現象，此時，M57962AL的保護電路檢測出IGBT的柵極和集電極同為高電平，判斷系統過流，M57962AL內置定時器，通過關柵電路和降壓電路將短路電流鉗制在較低的值，同時發出故障信號，使8腳變為低電平（如為瞬間過流，且在10μs內，1端回到低電平，則保護復位，電路恢復常態），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，因此要采取恰當的散熱措施進行過熱保護。
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的熱敏電阻RT，Thref為參考電壓，可以通過調節電位器RP8來調節動作門檻值。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CPLD封鎖PWM脈沖信號，驅動輸出低電平，從而關斷IGBT，實現過熱保護。
實驗結果與分析
根據以上各種保護電路，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。記錄的波形為驅動輸出連接IGBT的G極波形。
圖5為工作狀態下的情況，波形十分穩定，驅動電壓信號為+15V、-9V。能通過調節PWM的寬度來調節IGBT的開關時間，從而調節次級直流電流的大小，圖6為發生短路的情況，當M57962AL檢測到過流發生時，迅速產生短路保護信號short1，并將其送給DSP2407A，立即關閉PWM的輸出。
結語
本文介紹了利用硬件保護電路，對中頻直流電阻焊機逆變電源中的IGBT進行保護的方法和措施，這樣不僅保護了IGBT正常使用的安全，還保證了該電源即使在惡劣的環境中也能可靠穩定的工作，從實際運用情況看，設計的保護電路實現了可靠有效的保護。
