【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 R A 3 4 1 0接IGBTV s s20V 隔離電源V C C+ 1 5 v 圖 33 EXB840組成的驅(qū)動(dòng)電路 保護(hù)電路 對(duì)于不同類型的裝置，其保護(hù)電路的要求和功能不盡相同。就高頻逆變器而言主回路的保護(hù)電路主要有：過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)。主回路選擇的器件為 IGBT，根據(jù)器 件種類的不同在設(shè)計(jì)以及應(yīng)用線路設(shè)計(jì)時(shí)有不同的要求和特點(diǎn)，因此驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)特性必須與器件和電路相適應(yīng)才能進(jìn)行可靠有效的保護(hù)。不同的器件對(duì)保護(hù)電路的要求也不盡相同，下面就主回路開關(guān)器件選擇 IGBT時(shí)，高頻逆變器對(duì)各種保護(hù)電路的要求做一詳細(xì)分析。 13 過(guò)、欠壓保護(hù)電路 過(guò)壓、欠壓保護(hù)是針對(duì)電源異常、主回路電壓超過(guò)或低于一定數(shù)值時(shí)考慮的。通用變頻器輸入電源電壓允許波動(dòng)的范圍一般是額定輸入電壓的 士 10%。通常情況下，主回路直流環(huán)節(jié)的電壓與輸入電壓保持固定關(guān)系。當(dāng)輸入電源電壓過(guò)高，將使直流側(cè)電壓過(guò)高。過(guò)高的直 流電壓對(duì) IGBT 的安全構(gòu)成威脅，很可能超過(guò)IGBT 的最大耐壓值而將其擊穿，造成永久性損壞。當(dāng)輸入電壓過(guò)低時(shí)，雖不會(huì)對(duì)主回路元件構(gòu)成直接威脅，但太低的輸入電壓很可能使控制回路工作不正常，而使系統(tǒng)紊亂，導(dǎo)致 SA4828 輸出錯(cuò)誤的觸發(fā)脈沖，造成主回路直通短路而燒壞IGBT。而且較低的輸入電壓也使系統(tǒng)的抗干擾能力下降。因此有必要對(duì)系統(tǒng)的電壓進(jìn)行保護(hù)。圖 34 為本文介紹的變頻器過(guò)壓保護(hù)電路。 R6300R710KR510KR46KR38KR210kR120kC11 0 u FC21 0 u FUP C 8 1 7U 1 :AL M 3 5 8W1V S S+ 1 5 VV S S+ 5 VV s s直流電壓側(cè)取樣自診斷信號(hào)過(guò)壓保護(hù)信號(hào) 圖 34 過(guò)壓保護(hù)電路 它直接對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行檢測(cè)。其中電壓信號(hào)的取樣是通過(guò)電阻 1R 和 2R 分壓得到的，電容 1C 起濾波抗干擾作用，防止電路誤動(dòng)作。過(guò)壓設(shè)定值從電位器 1W上取出。運(yùn)放 AU:1 接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí) (異常情況下 )，比較器輸出高電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其中電阻 5R 是正反饋電阻，它的接入使正反饋有一定回差 ，防止取樣信號(hào)在給定點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)比較器抖動(dòng)，這里將過(guò)壓保護(hù)的動(dòng)作值整定為額定輸入電壓的 110%。 欠壓產(chǎn)生的原因有兩種：一是輸入的交流電壓長(zhǎng)時(shí)間低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值。另一種是瞬時(shí)停電或瞬時(shí)電壓降低。欠電壓導(dǎo)致逆變器開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)功率不足而燒壞開關(guān)器件。一般欠壓信號(hào)從直流端取樣，這樣既能在欠電壓，過(guò)電壓時(shí)檢測(cè)出信號(hào)進(jìn)行保護(hù)，又不會(huì)因?yàn)槎虝r(shí)間因?yàn)樵谇冯妷?，過(guò)電壓并未構(gòu)成危險(xiǎn)時(shí)而保護(hù)誤動(dòng)作。 欠壓保護(hù)電路的原理與過(guò)壓保護(hù)電路類似。其電壓取樣與過(guò)壓取樣相同，欠壓設(shè)定值由 2W 上取出。運(yùn)放 BU:1 接成比較器的形式。當(dāng)取樣電壓高于設(shè)定值時(shí)(正常情況下 )，比較器輸出高電平，光耦器件不導(dǎo)通，輸出高電平。當(dāng)取樣電壓 14 低于設(shè)定值時(shí) (欠壓情況下 )，比較器輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，輸出低電平保護(hù)信號(hào)。其電路 如 圖 35 所示。動(dòng)作值整定為輸入電壓的 85%。 R 1 20KR210KR38KR410KR56KR6300R710KW2U2P C 8 1 7U 2 :BL M 3 5 8C31 0 u F C41 0 u F+ 5 V+ 1 5 VV S SV S S+ 5 VV S S直流側(cè)電壓取樣自診斷信號(hào)欠壓保護(hù)信號(hào) 圖 35 欠壓保護(hù)電路 本系統(tǒng)的故障自診斷是指在系統(tǒng)運(yùn)行前，變頻器本身可以對(duì)過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路進(jìn)行診斷，檢測(cè)其保護(hù)電路是否正常。因此故障自診斷功能就是由單片機(jī)控制發(fā)出各種等效故障信號(hào)，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的 保護(hù)電路是否動(dòng)作，若動(dòng)作則說(shuō)明保護(hù)電路正常，反之說(shuō)明保護(hù)電路本身有故障，應(yīng)停機(jī)對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行檢查，直到顯示器顯示正常為止。 故障自診斷電路工作過(guò)程如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制 ，經(jīng)非門整形后輸出低電平，光耦器件導(dǎo)通，有電流流過(guò)三極管的基極，三極管導(dǎo)通輸出低電平，輸出的低電平自診斷信號(hào)分別送至過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路。因 SA4828的SET TRIP端為高電平有效 ,所以應(yīng)加上一個(gè)反相器 ,使其反相后輸出高電平。以下的過(guò)流信號(hào)也是如此 .故障自診斷電路如圖 36所示： R18kR2200KR3500R41KR5500R65009 0 1 4自診斷信號(hào)9 0 1 4自診斷信號(hào)9 0 1 4自診斷信號(hào)H S O . 2等效故障信號(hào)UP C 8 1 7+ 5 v + 1 5 v 圖 36 故障自診 斷電路 過(guò)流保護(hù) 隨著器件容量的不斷增大裝置的容量也不斷增大， IGBT 通常工作于高壓大電流的惡劣條件之下，在開發(fā)使用過(guò)程中經(jīng)常遇到過(guò)流損壞的問(wèn)題，嚴(yán)重影響其 15 應(yīng)用 ， 這時(shí)必須迅速切斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊 EXB 系列、 M579 系列等都集成有過(guò)流保護(hù)電路。 IGBT 過(guò)載能力比較差，承受短路電流的時(shí)間很短，一般只有十幾毫秒或幾毫秒，因此當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路或故障過(guò)流時(shí)必須馬上關(guān)斷 IGBT 。 IGBT 過(guò)流保護(hù)的關(guān)鍵在于快速檢測(cè)過(guò)流，在 IGBT 還沒(méi)損壞之前將其關(guān)斷。 IGBT 的特點(diǎn)之一是其通態(tài)壓降與集電極電流之間 呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，當(dāng)電路過(guò)流時(shí)， IGBT 的通態(tài)飽和壓降將會(huì)升高很多，所以 IGBT 的過(guò)流檢測(cè)可以通過(guò)檢測(cè)其集電極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法的另一優(yōu)點(diǎn)是可防止 IGBT 工作時(shí)的退飽和，若正常工作時(shí) IGBT 的驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低則會(huì)使 IGBT 退出飽和區(qū)而進(jìn)入放大區(qū)，使集電極功耗急劇增大造成器件熱損壞，采用檢測(cè) VCE的方法可避免出現(xiàn)這種情況。驅(qū)動(dòng)電壓過(guò)低時(shí)，導(dǎo)致 IGBT 的通態(tài)壓降上升，保護(hù)電路將其判斷為過(guò)流而關(guān)斷 IGBT，因此這種檢測(cè)方法也稱為退飽和檢測(cè)檢測(cè)電路。 電路在正常工作時(shí)有可能因?yàn)楦蓴_而造成瞬時(shí)過(guò)流或瞬時(shí)過(guò)壓，這種過(guò)流過(guò)壓只是瞬時(shí)的，時(shí)間很短，在 IGBT 承受范圍之內(nèi)，如果此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)到過(guò)流后也封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，那么就會(huì)導(dǎo)致沒(méi)有必要的關(guān)斷，影響裝置的正常運(yùn)行，所以在電路檢測(cè)到過(guò)流對(duì) IGBT 進(jìn)行慢關(guān)斷的同時(shí)，要有一個(gè)延時(shí)判斷過(guò)程，以判別真?zhèn)芜^(guò)流以免誤動(dòng)作。 另外，有些集成驅(qū)動(dòng)電路中沒(méi)有封鎖電路，當(dāng)保護(hù)動(dòng)作后器件恢復(fù)正常，此時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)恢復(fù)正常，若此時(shí)故障還沒(méi)有消除則保護(hù)電路又會(huì)動(dòng)作，那么電路就會(huì)進(jìn)入一種過(guò)流保護(hù)，過(guò)流的重復(fù)狀態(tài)可能導(dǎo)致器件的損壞，所以過(guò)流保護(hù)電路中應(yīng)有延時(shí)判斷和封鎖電路來(lái)判斷真假過(guò)流和徹底封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 過(guò)熱保護(hù) 在 IGBT 的保護(hù)中散熱技術(shù)和過(guò)熱保護(hù)也是其中之一，當(dāng) IGBT 工作時(shí)自身也要消耗功率，其耗散功率主要包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，其結(jié)果使基板溫度和工作結(jié)溫上升，隨著 IGBT 基板溫度的上升 IGBT 的耗散功率和集電極電流急劇下降，因此最高基板溫度不能超過(guò)一定的極限值。所以為了防止器件溫度過(guò)高而損壞保證其穩(wěn)定可靠工作，電路中需采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，放置檢測(cè) IGBT 溫度的元件加強(qiáng) IGBT 過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)。 IGBT 的過(guò)熱保護(hù)主要包括散熱器設(shè)計(jì)和過(guò)熱檢測(cè)保護(hù)電路。 本電路采用溫度傳感器 AD590，它的測(cè)溫范圍為 55 度 ~+150 度 ，可承受的電壓為 20V~+40V，輸出電阻為 710 毫歐，誤差僅為 + 度 。測(cè)得的溫度經(jīng)放大、 ADC0804 模數(shù) 轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)控制。 ADC0804 是一種 單通道 模擬輸入， 8 位數(shù)字量輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器， 共有 20 個(gè)引腳，采用雙插直列式 封裝，其引腳主要功能如下： 16 (CS )： Chip Select，與 RD、 WR 接腳的輸入電壓高低一起判斷讀取或?qū)?入與否，當(dāng)其為低位準(zhǔn) (low) 時(shí)會(huì) active。 2. PIN2 ( RD )： Read。當(dāng) CS 、 RD 皆為低位準(zhǔn) (low) 時(shí)， ADC0804 會(huì)將轉(zhuǎn)換后 的數(shù)字訊號(hào)經(jīng)由 DB7 ~ DB0 輸出至其它處理單元。 3. PIN3 (WR )：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換的控制訊號(hào)。當(dāng) CS 、 WR 皆為低位準(zhǔn) (low) 時(shí)ADC0804 做清除的動(dòng)作，系統(tǒng)重置。當(dāng) WR 由 0→ 1 且 CS ＝ 0 時(shí)， ADC0804會(huì)開始轉(zhuǎn)換信號(hào)，此時(shí) INTR 設(shè)定為高位準(zhǔn) (high)。 4. PIN PIN19 (CLK IN、 CLKR)：頻率輸入 /輸出。頻率輸入可連接處理單元 的訊號(hào)頻率范圍為 100 kHz 至 800 kHz。而頻率輸出頻率最大值無(wú)法大于640KHz，一般可選用外部或內(nèi)部來(lái)提供頻率。若在 CLK R 及 CLK IN 加上電阻及電容，則可產(chǎn)生 ADC 工作所需的時(shí)序 。 5. PIN5 ( INTR )：中斷請(qǐng)求。轉(zhuǎn)換期間為高位準(zhǔn) (high)，等到轉(zhuǎn)換完畢時(shí) INTR 會(huì) 變?yōu)榈臀粶?zhǔn) (low)告知其它的處理單元已轉(zhuǎn)換完成，可讀取數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。 6. PIN PIN7 (VIN(+)、 VIN())：差動(dòng)模擬訊號(hào)的輸入端。輸入電壓 VIN＝VIN(+)－ VIN()，通常使用單端輸入，而將 VIN()接地。 7. PIN8 (A GND)： 模擬電壓的接地端。 8. PIN9 (VREF∕ 2)： 模擬參考電壓輸入端。 VREF 為模擬輸入電壓 VIN 的上限值。若 PIN9 空接，則 VIN 的上限值即為 VCC。 9. PIN10 (D GND)： 數(shù)字電壓的接地端。 10. PIN11 ~ PIN18 (DB7 ~ DB0)： 轉(zhuǎn)換后之?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出端。 11. PIN20 (Vcc)： 驅(qū)動(dòng)電壓輸入端。 ADC0804 組成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖 37 所示 D B 117D B 216D B 315D B 414D B 513D B 612D B 711V R E F / 29C L K R19D B 018VCC20RW2RD3C L K I N4I N T R5A G N D8CS1V I N 7V I N +6U6A D C 0 8 0 4R 1 510KC71 5 0 p FINC62 2 U FV C CP 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .4P 1 .5P 1 .6P 1 .7P 3 .1P 3 .0P 3 .6P 3 .7 圖 37 ADC0804 組成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路 AD590 溫度測(cè)量圖如圖 38 所示。 17 圖 38 AD590 溫度測(cè)量圖 控制電路 及 產(chǎn)生 SPWM 脈沖的方法 SPWM 波的生成 生成 SPWM 脈沖的方法主要有模擬電路生成和數(shù)字化 SPWM 技術(shù)生成二類。由于模擬電路存在著一定的缺陷，目前在電氣性能要求較高的場(chǎng)合大都采用專用集成芯片，以微機(jī)控制的 SPWM 技術(shù)已成主導(dǎo)地位。 用于生成 SPWM 波形的專用集成芯片很多，如有 SA828 SLE4520 和GMS97C2051 等，以下主要介紹用專用集成芯片 SA4828 構(gòu)成的 SPWM 波生成電路。 1. SA4828 主要特點(diǎn)： 全數(shù)字控制， 能產(chǎn)生三對(duì)相位差 120 度的互補(bǔ)的 SPWM 主控脈沖，適用于三相橋結(jié)構(gòu)的逆變器。 兼容 Intel 等多系列單片機(jī)，輸入調(diào)制波頻率范圍 0～ 4kHz，16 位調(diào)速分辯率，載波頻率最高可達(dá) 24kHz，內(nèi)部 ROM 固化 3 種可選波形，最小脈寬和延時(shí)時(shí)間可調(diào)，可單獨(dú)調(diào)整各相輸出以適應(yīng)不平衡負(fù)載，具備看門狗定時(shí)器功能等。 SA4828 芯片采用簡(jiǎn)化的規(guī)則采樣法，其效果接近自然采樣法，而運(yùn)算量則小得多，這樣就解決了實(shí)時(shí)快速產(chǎn)生 SPWM 信號(hào)的問(wèn)題。 2. SA4828 引腳功能 SA4828 采用 28 腳封裝。圖 39 給出了其引腳排列示意圖和原理框圖。 18 圖 39 SA4828引腳排列示意圖 各引腳的功能說(shuō)明如下： （ 1） 輸 入類管腳說(shuō)明 AD0～ AD7： 8 位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線。 SET TRIP： 通過(guò)該引腳，可以快速關(guān)斷全部 SPWM 信號(hào)輸出，高電平有效。 RESET ：復(fù)位端，低電平有效。 CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。 MUX：總線選擇端。當(dāng) MUX 為高電平時(shí)，使用地址和數(shù)據(jù)共用的總線，這 時(shí)，地址 /數(shù)據(jù)管腳 RS 不用；當(dāng) MUX 為低電平時(shí)，使用地址和數(shù)據(jù)分開的總線。 這時(shí)，地址鎖存器 ALE 接低電平， RS 引腳要與一條地址線相連，來(lái)區(qū)分輸入的字節(jié)是地址（低電平），還是數(shù)據(jù)（高電平），通常先地址后數(shù)據(jù)。 CS ：片選輸入，該控制線可使 SA8282 與其他外圍接口芯片共享同一組總線，低電平有效。 WR 、 RD ： Intel(Motorola)總線控制 write、 read 信號(hào)。 ALE：地址鎖存允許。 VDD：供電電源正端 (+5V)。 VSS： 供電電源負(fù)端 (0V)