摘要：介紹了中頻加熱系統(tǒng)中IGBT控制、驅(qū)動及保護電路的工作原理，詳細論述了以集成鎖相環(huán)LM565為核心元件的IGBT互補對稱控制信號產(chǎn)生電路、高速光耦HP3101實現(xiàn)的IGBT驅(qū)動與隔離電路以及用電流互感器和窗口電壓比較器實現(xiàn)的IGBT過流保護電路的設(shè)計方法。
關(guān)鍵詞：IGBT；驅(qū)動電路；保護電路
絕緣柵雙極型晶體管IGBT兼有功率三極管和場效應(yīng)管的優(yōu)點，即電壓驅(qū)動，輸入阻抗高，飽和壓降低，開關(guān)頻率高等。這些優(yōu)點使得IGBT在電力電子技術(shù)、電氣傳動、開關(guān)電源等場合有著廣泛的應(yīng)用。本文介紹的中頻加熱系統(tǒng)是將三相交流電經(jīng)過可控硅橋式全控整流濾波后變?yōu)榉瓤烧{(diào)的直流電，然后通過逆變器變?yōu)? kHz的中頻電源，其中逆變器選用日本三菱公司的CW300DY－24H型IGBT模塊。下面將就IGBT的控制、驅(qū)動及保護電路的設(shè)計方法作詳細論述。
1 IGBT控制電路設(shè)計
中頻加熱系統(tǒng)中逆變器的作用是將直流電變?yōu)? kHz的中頻電源。本系統(tǒng)中是用2塊CW300DY－24H型IGBT模塊組成橋式逆變電路。IGBT控制電路的核心是產(chǎn)生2路互補輸出的中頻方波信號。圖1給出了IGBT控制電路原理圖。
其中，LM565是集成鎖相環(huán)電路，其功能是提供頻率穩(wěn)定的方波信號，通過調(diào)節(jié)電位器VR1即可改變LM565的輸出頻率。LM565的輸出信號經(jīng)過施密特反相器74HC14連接到D觸發(fā)器74HC74的時鐘端，D觸發(fā)器的輸出經(jīng)過整形后加到與門74HC08的輸入端，從輸出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4即可得到2路互補方波信號。其中OUT1、OUT2為一組，OUT3、OUT4為另一組分別加到IGBT驅(qū)動電路的輸入端。該電路從設(shè)計上保證了兩路信號在任何情況下都是互補的，這就避免了IGBT橋直通現(xiàn)象的發(fā)生，確保了IGBT模塊工作的安全性。圖1中EN信號是IGBT控制使能信號，當EN＝1則有控制信號輸出，而當EN＝0則沒有輸出，其目的是對IGBT進行過流保護。
2 IGBT驅(qū)動電路設(shè)計
為保證IGBT可靠工作，其驅(qū)動電路應(yīng)滿足如下要求：
1）動態(tài)驅(qū)動能力強，能為IGBT柵極提供驅(qū)動脈沖，使IGBT迅速導通。
2）能向IGBT提供適當?shù)恼蚱珘汉妥銐虻姆聪蚱珘�，使IGBT可靠的開通和關(guān)斷，一般取正偏電壓為+15V，反偏電壓為-10V為宜。
3)有足夠的輸入輸出電氣隔離能力，使信號電路與柵極驅(qū)動電路隔離，且具有靈敏的短路、過流保護功能。
目前，專用的IGBT驅(qū)動模塊都或多或少有一些缺陷，比如國內(nèi)廣泛應(yīng)用的EXB系列IGBT驅(qū)動模塊就有負偏壓較低（只有-5V），過流保護閾值電壓過高的缺點，因此，本系統(tǒng)未采用集成IGBT驅(qū)動模塊，所設(shè)計的IGBT驅(qū)動電路如圖2所示。
其中HP3101是高速光耦，用于實現(xiàn)輸入輸出信號的電氣隔離，Q1，Q2組成功率放大電路，采用+15V和-10V雙電源供電，保證正負偏壓滿足要求。OUT1、OUT3來自圖1 IGBT控制電路。
3 IGBT過流保護電路設(shè)計
為了防止短路造成IGBT模塊損壞，必須有完善的故障檢測和保護環(huán)節(jié)，及時檢測出過電流故障，并迅速關(guān)斷。本系統(tǒng)IGBT過流保護電路如圖3所示。
其中運放C814組成電壓跟隨器，其輸入是來自電流互感器的輸出，兩個電壓比較器C271組成窗口電壓比較器，比較器的輸出經(jīng)施密特反相器連接到與門的輸入端。當IGBT沒有過流時，C814的輸入電壓比較低，窗口電壓比較器輸出為高電平，因此EN信號為高電平，使IGBT驅(qū)動信號有效，反之，當IGBT過流時，EN信號變?yōu)榈碗娖剑怄i了IGBT驅(qū)動信號而使IGBT關(guān)斷，調(diào)節(jié)電位器VR2，可以改變過流閾值的大小。
4 結(jié)語
本文所論述的IGBT控制、驅(qū)動及保護電路的設(shè)計方法已經(jīng)在70 kW中頻熟食加熱系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，證明該設(shè)計方法是切實可行的。
參考文獻
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