高压大功率逆变电源过流保护电路的实现

张臻，金龙，赵剑锋，陈玮光

(东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)

0 引言

相比于使用可控硅交流调压方式的传统电源，使用IGBT器件的开关电源输出电压波动小、平均电压高、电源转换效率高。IGBT器件控制方式灵活，使电源系统具有更快的响应速度，并且提高了逆变电源的工作频率，减小了变压器和滤波器的体积。

在高压大功率的逆变电源中，IGBT往往承受较大的电流，可达100 A以上。IGBT过流是损坏IGBT的主要原因，过流保护不仅直接关系到IGBT器件本身的工作性能和运行安全，还影响到整个电源系统的性能和安全［1］。IGBT应用是否成功在很大程度上取决于过流保护电路的优劣。

IGBT集电极和发射极之间的电压UCE在数值上等于集电极电流与器件通态阻抗的乘积。因此，一旦IGBT过流，UCE会随着集电极电流的增大而增大。常见的过流保护电路根据这一特性，通过检测UCE来判断IGBT是否过流［2-3］。

这种检测方法使用分立器件，集成度较低。并且在阈值电压以下，流过IGBT的电流可能已超过额定电流，如果这种状态持续时间过长，IGBT有可能发生擎住锁定，造成IGBT的损坏［4-5］。

本文设计的过流保护电路由过流信号产生电路和CPLD过流保护电路实现。由迟滞比较器构成的硬件过流信号产生电路，可以可靠地产生过流信号，CPLD中的消抖电路可以提高电源系统的抗干扰性。在确认故障排除后，DSP复位CPLD过流保护电路，使得电源系统重新正常工作。

1 电源系统原理

电源系统主电路如图1所示，采用IGBT器件的逆变电源，输入三相380 V，50 Hz的交流电，经三相桥式不控整流电路整流成约520 V的直流电，再经IGBT模块逆变产生中频或高频的交流电，由变压器升压后，为负载提供高压电源。

图1 高压大功率电源主电路

DSP控制器通过改变驱动脉冲宽度，经隔离驱动电路驱动IGBT单相逆变电源，从而对输出电压、电流进行调节。逆变电源的输出电压、电流经信号调理电路反馈至DSP控制板。

当过流保护电路检测到短暂的过流信号后，由CPLD封锁一定时间IGBT的驱动信号，如果过流信号消失，DSP在一段时间后复位CPLD中的计数器;如果继续产生过流信号，CPLD则进行跳闸保护，在确认故障排除后，DSP复位CPLD过流保护电路，使电源系统继续运行。

2 过流信号产生电路

流过IGBT的电流是变压器的一次电流，通常超过100 A，需要对其进行检测和保护。如图2所示，电流互感器可以将此电流转换为100 mA以内的电流信号，通过采样电阻对电流互感器副边电流信号进行采样，得到过流信号产生电路的输入电压Vin。输入电压Vin经绝对值转换电路得到输入电压的绝对值。同相电压放大器将绝对值转换电路的输出电压放大K倍后，与2.5 V参考电压通过比较器LM211进行比较。比较器LM211的电源电压为 ±12 V，R1=5.1 kΩ，R2=51 kΩ，R3=10 kΩ，二极管 V1的导通压降为0.7 V。

图2 过流信号产生电路

图2 所示的过流信号产生电路具有反相输出的施密特触发特性。当输入电压Vin低于正向阈值电压VT+时输出高电平;Vin高于VT+时，输出低电平。输出电压VO为低电平后，当Vin低于负向阈值电压VT-时，输出电压才再次回到高电平。这样，一旦输出过流信号后，即使输入信号在正向阈值电压附近有微小的干扰，只要干扰不超过回差电压，输出电压就是稳定的，增加了过流信号产生电路的抗干扰性，保证了一次电流真实降到2.5 V对应的电流值时，过流信号才会消失。

当VO输出高电平时，设此时LM211 3脚电压为VT+，流过二极管V1的电流为:

VO输出低电平时，二极管V1不导通，VT-=2.5 V。

回差电压 ΔV=VT+-VT-=0.68 V。

调节同相电压放大电路增益K，可以调节过流保护阈值电流，阈值电流经信号调理后得到的直流电压放大K倍等于3.18 V。通过调节R1的阻值可以调节回差电压。

3 CPLD过流保护电路

ALTERA公司的EPM240T100C5芯片有240个逻辑单元，时钟频率为50 MHz，一片CPLD芯片能够以低成本实现较复杂的逻辑功能。

3.1 过流保护中的干扰和消抖电路

过流保护中的干扰主要是指出现过流，但在IGBT允许的时间内自行消失的现象。如果此时保护电路将IGBT关断，就相当于造成一次没有必要的扰动跳闸。因此，保护电路必须对真实的过流提供可靠的保护，而对尖峰等虚假的过流信号不与响应。

为避免干扰信号造成误跳闸，如图3所示，本文设计了由D触发器构成的消抖电路。消抖电路的时钟CLK2由50M八分频得到。过流信号产生电路的输出经电平转换后得到信号GLXH，过流信号为低电平。当出现过流信号后，在CLK2的第一个上升沿，第一个D触发器D1输出低电平，D2在CLK2的第二个上升沿输出低电平，D8在CLK2第8个上升沿输出低电平。从过流信号跳变为低电平到Q8跳变为低电平的延迟时间为8*8=1.28 μs。本文设计的过流保护电路的响应速度主要由消抖电路的延迟时间决定，1.28 μs在IGBT允许的过流时间之内。

图3 由D触发器构成的消抖电路

图4 由SR锁存器产生脉冲展宽电路输入信号

图4 所示的逻辑电路中，SR锁存器的 RD’端由Q1和Q8的与逻辑决定，SR锁存器的 SD’端由Q1’和 Q8’的与逻辑决定，SR锁存器的输出为脉冲展宽电路输入信号Q。Q8和过流信号同时为低电平时认为是有效的过流信号，在过流信号回到高电平时脉冲展宽电路输入信号Q回到高电平。

消抖电路在Quartus II中的仿真结果如图5、图6所示。脉冲展宽电路输入信号Q在过流信号延迟1.27 μs后输出低电平，在过流信号回到高电平后输出高电平。如果过流信号时间小于1 μs，脉冲展宽电路输入信号Q一直为高电平，消抖电路不响应小于 1.27 μs的过流信号。

3.2 脉冲展宽电路

如图7所示，脉冲展宽电路的时钟CLK1为50 MHz，由4个16进制计数器74161和两个D触发器组成。脉冲展宽电路输入信号Q取反得到Q’，展宽脉冲由Q’的上升沿触发。展宽脉冲为D触发器D1的输出，即SPWMEN1信号。IGBT驱动信号的封锁信号由SPWMEN1和SPWMEN2的或逻辑决定，封锁信号高电平有效。

在CLK1的上升沿，D1的输出随Q’发生跳变，控制计数器的使能。U1计满16后，产生进位信号，接入U2的使能端，U2在每16个CLK1周期计数一次，U1～U4构成了164分频器。U4的进位信号产生复位信号CLR，使得D1的输出变为低电平。所以，脉冲宽度为

图8为脉冲展宽电路在Quartus II中的仿真波形，封锁信号时间为 1.310 71 ms。

图5 消抖电路对过流信号的响应

图6 消抖电路对干扰信号的响应

图7 脉冲展宽电路

图8 脉冲展宽电路仿真波形

3.3 过流保护策略

如图9所示，16进制计数器U1的QB输出为SPWMEN2信号。

图9 第一次过流和第二次过流处理电路

图10 过流保护策略

过流保护策略如图10所示。当变压器一次电流过流后，如果是第一次过流，并且不是干扰信号，CPLD过流保护电路封锁1.311 ms IGBT驱动信号。计数器U1随着Q’的上升沿计数，计数值变为1。第二次过流后，U1计数值变为2。由于U1将Q’和QB相或接至计数器的CLK，在计数值达到2后，CLK一直为高电平，SPWMEN2也一直为高电平，驱动信号一直被封锁，直至DSP产生复位信号DSP_CLR。

计数器U1的QA和QB分别接至DSP的GPIO引脚，从而DSP可以检测到是第一次过流还是第二次过流。在检测到第一次过流后，DSP在一段时间后复位U1。如果在这段时间内又产生过流信号，说明IGBT仍然过流，U1计数值达到2后一直封锁IGBT驱动信号，DSP将不产生复位信号。直到电源系统状态正常后，DSP再次产生复位信号，使得U1复位，电源系统继续工作。

4 结束语

本文设计的过流保护电路可以向DSP反馈过流故障信号，但不依赖于芯片对电流的检测，在DSP死机的极端情况下，能可靠地对IGBT的驱动信号实现封锁，从而保证电源系统的安全。仅在电源系统确实存在的持续短路过流时才进行跳闸保护，对于瞬态电流尖峰等干扰性过流信号，具有较强的抗干扰能力。CPLD芯片拥有高性价比的集成度，以低成本增加了控制系统的灵活性，便于调试和装置升级。与检测IGBT集电极、发射极间电压的过流保护方法相比，具有更高的可靠性、抗干扰性和灵活性。

［1］刘云峰，陈国平.IGBT的过流保护策略［J］.电子器件，1999，22(1):31-39.

［2］LOCHER R.Short circuit proof IGBTs simplify overcurrent Protection［C］.Industry Applications Society Annual Meeting，1991，(s):1497-1500.

［3］张海亮，陈国定，夏德印.IGBT过流保护电路设计［J］.机电工程，2012，29(8):966-970.

［4］CHOKHAWALA R，CASTINO G.IGBT fault current limiting circuit［J］.IEEE Industry Applications Magazine，1995，1(5):30-35.

［5］CHOKHAWALA R S，CATT J，KIRALY L.A discussion on IGBT shortcircuit behavior and fault protection schemes［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1995，31(2):256-263.