基于IGBT的電磁振蕩設(shè)計(jì)

前言

    IGBT是絕緣柵極雙極型晶體管。它是一種新型的功率開(kāi)關(guān)器件，電壓控制器件,具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、耐壓高方面的優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)實(shí)電力電子裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。在我們的設(shè)計(jì)中使用的是西門(mén)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(hào)的IGBT。對(duì)于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路模塊，市場(chǎng)上也有賣(mài)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(dòng)保護(hù)特性，以及成本方面的因數(shù)，設(shè)計(jì)出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路。

    通過(guò)電磁振蕩產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場(chǎng)，然后作用在鍋具(磁性的)上形成渦流，實(shí)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(diǎn)更顯著，熱效率一般能夠達(dá)到90%多，所以在人們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，這種電磁振蕩方案以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰、可靠性高、成本低的特點(diǎn)，在實(shí)際中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。而且這種IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)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(dòng)保護(hù)電路

IGBT的驅(qū)動(dòng)電路

    根據(jù)不同的功能要求，可以選取不同的驅(qū)動(dòng)電路，在有些重要的大電流或者是昂貴的電子設(shè)備中，我們可以選取專(zhuān)門(mén)的IGBT驅(qū)動(dòng)及保護(hù)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(dòng)模塊就不太實(shí)用了。

    如圖1所示，其中包括了IGBT的具體驅(qū)動(dòng)電路， 滿足了IGBT的驅(qū)動(dòng)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(dǎo)通與關(guān)斷，電路簡(jiǎn)單，實(shí)用于低成本的家用電器控制器中。

    其中A點(diǎn)為IGBT的控制輸入信號(hào)。當(dāng)輸入高電平的時(shí)候，Q4導(dǎo)通，則B點(diǎn)為高電平，從而驅(qū)動(dòng)Q1導(dǎo)通，Q2截止，使得D點(diǎn)電壓為+15V，然后通過(guò)電阻R2驅(qū)動(dòng)IGBT，此時(shí)D4相當(dāng)于開(kāi)路，R2為斷開(kāi)的。D1、D2為15V的穩(wěn)壓二極管，他們可以控制IGBT的G點(diǎn)在15V, 控制IGBT導(dǎo)通。當(dāng)A點(diǎn)輸入的是低電平，Q4截止，B點(diǎn)為低電平，從而驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通，Q1截止，D點(diǎn)電平為低的，這時(shí)R1與R2認(rèn)為是并聯(lián)的，使得IGBT為截止?fàn)顟B(tài)。

IGBT的保護(hù)電路

    首先是過(guò)流保護(hù)措施，IGBT的短路電流的大小與柵極電壓有關(guān),在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過(guò)減少柵極電壓來(lái)降低短路電流或延長(zhǎng)承受短路電流的時(shí)間。在電磁振蕩過(guò)程中，其振蕩頻率為30KHz～40KHz，在一個(gè)周期中，IGBT開(kāi)通的時(shí)間大概是15~25μs。當(dāng)發(fā)生過(guò)流情況時(shí)，IGBT的C、E兩端的電壓會(huì)升高，使得D7相當(dāng)于斷開(kāi)了，這個(gè)時(shí)候IGBT為導(dǎo)通的，B點(diǎn)電壓為15V，二極管D6導(dǎo)通，然后通過(guò)R6,R7為電容器C1充電，如果過(guò)流時(shí)間超過(guò)2μs后，C點(diǎn)的電壓使得穩(wěn)壓二極管D5導(dǎo)通，導(dǎo)致Q3處于導(dǎo)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(dòng)特性，可以延長(zhǎng)IGBT的短路電流的承受時(shí)間。在電磁振蕩電路中，IGBT開(kāi)啟的時(shí)間很短，采取這樣降低柵極電壓的方法可以有效地保護(hù)器件。

     通過(guò)對(duì)接的兩個(gè)穩(wěn)壓二極管可以有效低鉗位D點(diǎn)的電壓不能超過(guò)15V,在D點(diǎn)與地線之間接上一個(gè)幾十KΩ的電阻，這樣可以作為柵極驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)壓保護(hù)。在IGBT關(guān)斷的時(shí)候，二極管D4導(dǎo)通，則此時(shí)柵極電阻RG則相當(dāng)于是R1與R2兩個(gè)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(guò)大保護(hù)作用。此外在繪制PCB時(shí)，在加粗地線的同時(shí)得注意驅(qū)動(dòng)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(dòng)保護(hù)電路

IGBT在電磁振蕩中的應(yīng)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(dòng)保護(hù)電路。其中IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)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(fù)反饋電路、過(guò)壓保護(hù)電路、以及單片機(jī)控制電路。

    主回路中，IGBT受到的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為近似矩形的脈沖，當(dāng)IGBT導(dǎo)通的時(shí)候，勵(lì)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(lái)，當(dāng)IGBT截止時(shí)，勵(lì)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(guò)1000V。驅(qū)動(dòng)矩形脈沖信號(hào)的脈寬決定了電磁振蕩工作的功率，但是這個(gè)寬度是通過(guò)同步電路和脈寬調(diào)制電路共同決定的。

    同步電路必須準(zhǔn)確監(jiān)視主回路工作狀況，當(dāng)IGBT的集電極電壓下降接近0V時(shí)，勵(lì)磁線圈中電流正在反向減小，通過(guò)脈寬調(diào)制電路輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖，通過(guò)同步電路和脈寬調(diào)制電路組成的電路可以使驅(qū)動(dòng)脈沖再次加到IGBT的柵極，強(qiáng)行使IGBT導(dǎo)通。

    在脈寬調(diào)制電路中，通過(guò)改變 電平的值，可以控制功率，它是由單片機(jī)輸出與電流負(fù)反饋信號(hào)共同決定的。IC1和IC2為快速比較器LM319。如圖2中所示，當(dāng)V3> 時(shí)，比較器的輸出端相當(dāng)于開(kāi)路，通過(guò)外接上拉電阻，可以得到高電平，從而驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通，而當(dāng)V3<  時(shí)，比較器的輸出口相當(dāng)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(dāng)220V的交流電經(jīng)過(guò)硅橋（B1），再通過(guò)電容C1的濾波處理，轉(zhuǎn)換成為直流電壓信號(hào)。勵(lì)磁線圈（爐盤(pán)）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(guò)程中的各點(diǎn)的波形，這些信號(hào)都是在振蕩過(guò)程中相當(dāng)重要的，如果有一個(gè)信號(hào)出錯(cuò)，都會(huì)影響電磁振蕩的正常進(jìn)行，其中包括了參考電源信號(hào)V1，電壓反饋信號(hào)V2，以及同步結(jié)果信號(hào)V5，控制功率的參考電壓信號(hào)Vref，以及IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)等。

    t0－t1過(guò)程：IGBT為截止?fàn)顟B(tài)，L、C正在發(fā)生振蕩。首先，在t0時(shí)刻，電路中的能量表現(xiàn)為電感L2的電流，接下來(lái)能量通過(guò)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(guò)電容器C3與電感L2的并聯(lián)回路給電容充電。當(dāng)電容電壓達(dá)到最大值的時(shí)候，如圖3中的V2的峰值時(shí)刻，這時(shí)電容的電壓能夠達(dá)到1000V，電感的電流為0，接下來(lái)能量從電容C3轉(zhuǎn)向電感。當(dāng)V2電壓低于比較的電壓信號(hào)V1時(shí)，比較器1的輸出發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，此時(shí)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(qiáng)行使IGBT導(dǎo)通。

    t1－t2過(guò)程：IGBT為導(dǎo)通狀態(tài)，這個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)候，電容C5開(kāi)始充電，當(dāng)這個(gè)電壓（V3）高于功率參考電壓Vref的時(shí)候，比較器2的輸出口電壓發(fā)生翻轉(zhuǎn)，把IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓強(qiáng)行拉低了，這就是一個(gè)IGBT導(dǎo)通的一個(gè)過(guò)程。

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

     
                圖3  電磁振蕩過(guò)程中的一些重要信號(hào)波形

    電壓V1、V2的選取在整個(gè)系統(tǒng)中相當(dāng)重要，它關(guān)系到同步電路部分能否準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)主回路的狀態(tài)。在靜態(tài)的時(shí)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(guò)高，R14選取相對(duì)過(guò)大，在振蕩的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)電容C3的電壓已降為0時(shí)不能及時(shí)驅(qū)動(dòng)IGBT，使其導(dǎo)通，這樣不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)主回路的工作狀態(tài)。同樣如果R14與R12的匹配的值過(guò)小，會(huì)提前促使IGBT導(dǎo)通，這樣一來(lái)由于反壓過(guò)高，此時(shí)IGBT一旦導(dǎo)通，就會(huì)被損壞。

    在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中，得到了如圖4的數(shù)據(jù)，t1和t1’則并不是同一時(shí)刻，這是值得注意的，這也是相當(dāng)重要的。一個(gè)振蕩周期大概為40μs，如圖4中所示，t1’要比t1滯后2個(gè)μs，這個(gè)滯后是允許的，但是這個(gè)時(shí)間不能太長(zhǎng)。說(shuō)明在反饋電壓V2還沒(méi)有降到0的時(shí)候，已經(jīng)又有信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT，使其導(dǎo)通。首先這個(gè)時(shí)間是允許的，因?yàn)镮GBT有一個(gè)柵極電壓VGE，這個(gè)電壓的具體值根據(jù)不同的器件而定的，大概為2V～5V，說(shuō)明在t1’時(shí)刻IGBT不一定已經(jīng)導(dǎo)通了。其次，這個(gè)時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)，如果過(guò)長(zhǎng)了，則會(huì)出現(xiàn)反饋電壓V2還沒(méi)有降到0，就再次驅(qū)動(dòng)IGBT了，這個(gè)時(shí)候IGBT的集電極還有很高的電壓，這樣一來(lái)，IGBT很可能受到損壞。在實(shí)際的電路中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)V1與V2的電壓來(lái)控制t1與t1’之間的時(shí)間間隔，其中V1是一個(gè)參考電壓，也就是一個(gè)基準(zhǔn)電壓，V2是反饋電壓，通過(guò)使用比較器起到同步的作用。

                     圖4  把驅(qū)動(dòng)電壓與反饋電壓合成的效果圖

結(jié)語(yǔ)

    該IGBT的驅(qū)動(dòng)電路具有廉價(jià)、簡(jiǎn)單、可靠實(shí)用的特點(diǎn)。沒(méi)有采用以往的正負(fù)電源供電的復(fù)雜電源，而是采用的+15V與0V的驅(qū)動(dòng)方案，為設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便。

    在保護(hù)電路中使用了延時(shí)緩降柵極電壓的過(guò)流保護(hù)措施，結(jié)合電磁產(chǎn)品中的驅(qū)動(dòng)要求，這種保護(hù)措施是行之有效的。同時(shí)還考慮到了柵極驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)壓保護(hù)和集電極電壓變化過(guò)快的保護(hù)措施。