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        一種驅動模塊集成保護單元的分析與應用

        2015-01-09 03:57:24鄭強
        聲學與電子工程 2015年3期
        關鍵詞:功率管聲吶過流

        鄭強

        (第七一五研究所,杭州,310023)

        一種驅動模塊集成保護單元的分析與應用

        鄭強

        (第七一五研究所,杭州,310023)

        分析了集成驅動器2SD106AI保護單元的工作原理。在實際應用中,介紹了多種參數(shù)下電路的工作性能,結合具體的應用場合給出了最佳的電路參數(shù)。

        驅動器;過流保護;保護門限

        逆變電路的傳統(tǒng)過流保護是通過霍爾器件采樣直流輸入端電流,判斷電流值的大小實施過流保護。這種方法受霍爾器件頻率范圍及采樣電流尖峰脈沖的影響,其應用范圍受限。驅動器2SD106AI內部集成了過流保護的功能,通過采樣流過功率管集電極的電流,計算功率管導通壓降,完成功放電路過流保護功能。驅動器集成度高,設計靈活,可靠性高,在現(xiàn)代工業(yè)控制領域應用及其廣泛。

        1 工作原理

        1.1 保護信號產生原理

        保護電路由驅動器2SD106AI內部的IGD001模塊、外圍二極管、電阻等電路組成,電路簡圖如圖1所示[1]。

        圖1 2SD106AI保護電路簡圖

        IGD001為2SD106AI內部一片集成智能柵極驅動模塊,主要完成驅動信號的傳輸放大、過流保護、保護鎖定時間、狀態(tài)信息采集、電源檢測等功能。圖中D1為比較器;D2、D3為電流源;V3為主功率器件IGBT;V1、V2為具有高反向擊穿耐壓的二極管,保護驅動器的Cx管腳免受功率管V3關斷時集電極高壓的沖擊;RGx為柵極電阻;Rth1為保護門限電阻。

        驅動器過流保護信號產生原理簡述如下:當IGBT開始關斷時,measuring迅速輸出電流導致三極管D4開通,Ca電容通過三極管與工作地構成回路放電,不產生保護信號;此時比較器正極被強制拉地,當IGBT開始導通時,measuring不輸出,三極管D4截止。1.4 mA電流源向Ca電容充電,Ca電容通過V1、V2兩個二極管及V3到EX端構成回路,此時比較器的正極電壓即IGD001模塊的4腳電壓等于Rm、V1、V2兩端電壓加上功率管V3的飽和壓降:

        比較器的負極即IGD001模塊的5腳電壓為保護閥值電阻Rth1兩端電壓。

        電路正常工作時,V4pin〈V5pin,比較器輸出低電平;當電路過流時,Vce增大,導致V4pin增大,當V4pin〉V5pin時,比較器輸出高電平,驅動器SO1、SO2腳送出保護信號,保護鎖定時間功能開啟,并在鎖定時間內使驅動器鎖定功率管V3,而不再輸出驅動信號。

        1.2 保護信號處理

        驅動器SO1、SO2腳送出的保護信號是一個脈寬為1 μs左右的負脈沖信號,需要對其進行整形、拓寬處理以方便工程使用。通過上拉一個電阻到電源,下拉一個電容并聯(lián)電阻的電路對保護信號預整形,再通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4098BF3A對其進行拓寬,將其脈寬展寬至10 s左右。將此信號和驅動信號相與可在硬件上實現(xiàn)過流保護發(fā)生時關斷驅動信號、保護電路的目的。將此信號送至CPU,CPU可據(jù)此判斷功放電路故障,關斷信號,從而在軟件上實現(xiàn)保護電路的目的。電路簡圖如圖2所示。

        圖2 脈沖拓寬電路

        2 工程應用

        由上述原理可知,Rth1的值可根據(jù)V4pin〉V5pin選取,即要滿足2.25 V+Vce〉Rth1×0.15 mA的要求,器件手冊給出了22~67 k?的取值范圍[1]。在聲吶發(fā)射機應用中情況更加復雜。換能器作為聲吶發(fā)射機的負載,其電容特性易引起電流突變,等效阻抗易受水溫、互輻射等因素的影響而顯著變化。故在聲吶發(fā)射機的應用中Rth1的取值要偏大一些,一般在22~80 k?之間,這樣可以有效防止正常工作時驅動器誤保護,提高電路工作可靠性。

        為摸索在具體應用中保護門限電阻Rth1的取值規(guī)律,選取聲吶發(fā)射機作為實驗平臺。試驗條件:直流輸入電壓,266 V;發(fā)射信號頻率,調頻3.8~5.2 kHz;負載560 ?電阻。試驗內容為測量電路分別在正常工作和負載短路時IGD001的4腳和5腳電壓V4pin、V5pin等參數(shù)。用示波器觀察保護閥值電阻Rth1為53.6 k?、68 k?、75 k?時正常工作和負載短路時IGD001模塊的4腳和5腳電壓,結果如表1所示。

        表1 各種情況下IGD001模塊的4腳和5腳電壓

        3 結論

        分析表1可看出,保護閥值電阻Rth1取53.6 k?和68 k?時,V4pin〉V5pin,電路保護;保護閥值電阻Rth1取75 k?時,V4pin〈V5pin,電路無法保護。實驗結果符合1.1節(jié)中的分析理論,可以看出上述電路中Rth1選取68 k?比較合適。當負載由單路的電阻換成聲吶換能器基陣后上述情況會發(fā)生變化。聲吶換能器等效阻抗易受水溫、互輻射等因素的影響而顯著變化,此時容易發(fā)生正常工作時發(fā)射機誤保護的現(xiàn)象。適當增加保護閥值電阻Rth1取值,其值取在68 ~75 k?之間較為合適。

        [1]CT-Concept Technologiy Ltd.DUAL SCALE Driver 2SD106AI-17 datasheet[Z].2000.

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