中频加热系统IGBT控制、驱动及保护电路设计

摘要：介绍了中频加热系统中IGBT控制、驱动及保护电路的工作原理，详细论述了以集成锁相环LM565为元件的IGBT互补对称控制信号产生电路、高速光耦HP3101实现的IGBT驱动与隔离电路以及用电流互感器和窗口电压比较器实现的IGBT过流保护电路的设计方法。
关键词：IGBT；驱动电路；保护电路
绝缘栅双极型晶体管IGBT兼有功率三极管和场效应管的优点，即电压驱动，输入阻抗高，饱和压降低，开关频率高等。这些优点使得IGBT在电力电子技术、电气传动、开关电源等场合有着广泛的应用。本文介绍的中频加热系统是将三相交流电经过可控硅桥式全控整流滤波后变为幅度可调的直流电，然后通过逆变器变为6 kHz的中频电源，其中逆变器选用日本三菱公司的CW300DY－24H型IGBT模块。下面将就IGBT的控制、驱动及保护电路的设计方法作详细论述。
1 IGBT控制电路设计
中频加热系统中逆变器的作用是将直流电变为6 kHz的中频电源。本系统中是用2块CW300DY－24H型IGBT模块组成桥式逆变电路。IGBT控制电路的是产生2路互补输出的中频方波信号。图1给出了IGBT控制电路原理图。
其中，LM565是集成锁相环电路，其功能是提供频率稳定的方波信号，通过调节电位器VR1即可改变LM565的输出频率。LM565的输出信号经过施密特反相器74HC14连接到D触发器74HC74的时钟端，D触发器的输出经过整形后加到与门74HC08的输入端，从输出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4即可得到2路互补方波信号。其中OUT1、OUT2为一组，OUT3、OUT4为另一组分别加到IGBT驱动电路的输入端。该电路从设计上保证了两路信号在任何情况下都是互补的，这就避免了IGBT桥直通现象的发生，确保了IGBT模块工作的安全性。图1中EN信号是IGBT控制使能信号，当EN＝1则有控制信号输出，而当EN＝0则没有输出，其目的是对IGBT进行过流保护。
2 IGBT驱动电路设计
为保证IGBT可靠工作，其驱动电路应满足如下要求：
1）动态驱动能力强，能为IGBT栅极提供驱动脉冲，使IGBT迅速导通。
2）能向IGBT提供适当的正向偏压和足够的反向偏压，使IGBT可靠的开通和关断，一般取正偏电压为+15V，反偏电压为-10V为宜。
3)有足够的输入输出电气隔离能力，使信号电路与栅极驱动电路隔离，且具有灵敏的短路、过流保护功能。
目前，专用的IGBT驱动模块都或多或少有一些缺陷，比如国内广泛应用的EXB系列IGBT驱动模块就有负偏压较低（只有-5V），过流保护阈值电压过高的缺点，因此，本系统未采用集成IGBT驱动模块，所设计的IGBT驱动电路如图2所示。
其中HP3101是高速光耦，用于实现输入输出信号的电气隔离，Q1，Q2组成功率放大电路，采用+15V和-10V双电源供电，保证正负偏压满足要求。OUT1、OUT3来自图1 IGBT控制电路。
3 IGBT过流保护电路设计
为了防止短路造成IGBT模块损坏，必须有完善的故障检测和保护环节，及时检测出过电流故障，并迅速关断。本系统IGBT过流保护电路如图3所示。
其中运放C814组成电压跟随器，其输入是来自电流互感器的输出，两个电压比较器C271组成窗口电压比较器，比较器的输出经施密特反相器连接到与门的输入端。当IGBT没有过流时，C814的输入电压比较低，窗口电压比较器输出为高电平，因此EN信号为高电平，使IGBT驱动信号有效，反之，当IGBT过流时，EN信号变为低电平，封锁了IGBT驱动信号而使IGBT关断，调节电位器VR2，可以改变过流阈值的大小。