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    IGBT器件在激光電源中的應用

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      激光電源在激光應用系統中是非常重要的一部分內容,其性能指標,特別是功率和穩定性指標直接影響到激光應用的質量和效果。傳統的激光電源采用可控硅作為功率開關器件,但是有很多弊端:(1)由于工頻電力網50Hz的電流經整流后進入可控硅,可控硅觸發頻率為100Hz,故由于調整頻率的限制,這種電源的工作穩定性不高。(2)這種電源的穩定性受電力網波動的影響較大。(3)可控硅的觸發電路主要是控制觸發相位角的變化,這種電路不易實現閉環控制。因此,在激光應用中,改進激光電源的性能已在所難免。現在,一種新型的功率開關器件——IGBT正逐漸取代可控硅而作為激光電源的大功率開關管。

      絕緣柵雙極管(簡稱IGBT)集MOSFET和GTR一身,既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的特點,又具有通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點。它的簡易符號如圖1所示。

      

      IGBT是一個零電壓開關器件.它的開通與關斷由柵極電壓控制。當柵極電壓Vge施以正電壓時,IGBT導通,當Vge施以負電壓時,IGBT關斷。其柵極電壓與IGBT的通斷情況如圖2所示。

      

      根據這一原理,可以根據柵極電壓的波形占空比的改變來調節從IGBT器件輸出電流的大小當柵極電壓信號占空比增大時,電流增大.占空比變小時,電流減小。因此,調節柵極電壓可使其占空比隨主電路的輸出電流的變化作自適應調節,起到恒流調節的作用。

      IGBT器件在激光電源中的應用

      近年來,大功率開關管IGBT在激光電源中被廣泛應用,正是由于它便于寬調制這一優點。它在激光電源中的應用能滿足激光電源中大功率、高穩定性以及高恒流性等特點。圖3是一種應用于激光電源的對IGBT模塊進行脈寬調制的典型電路。

      

      電路中,SG3524是一個專用的脈寬調制器,EXB840是一個專門用于驅動IGBT器件的集成塊。SG3524是一個功能很強的集成塊,內部集成有誤差放大器、振蕩器(鋸齒波發生器)、比較器和兩只交替輸出的晶體開關管,還具有過流保護功能。

      SG3524的(1)(2)引腳分別是內部誤差放大器的反相、同相輸入端,(6)(7)引腳為內部振蕩器的外接定時元件端,定時元件R、c,接到第(6)(7)腳上,它們與內部其它組件共同構成鋸齒波振蕩器。鋸齒波振蕩器在第(3)腳輸出一串固定頻率的三角波,工作頻率為f=1/Rt*Ct。(11)(14)為輸出腳。第(10)腳為封鎖腳、如果送至(10)腳的電平為高電平,則(11)(14)腳輸出的脈沖寬度為零,利用這一特點可作過流保護。(9)腳為補償端.它的工作原理為:將通過霍爾電流傳感器對輸出主電路的電流值進行轉換得到幅值較小的電壓信號反饋到SG3524誤差放大器的反相輸入端(1)腳,誤差放大器的輸出端連到芯片內部比較器的正相輸入端。設反相輸入端上的電壓值為V1,而鋸齒波發生器輸出的電壓信號接到內部比較器的反相輸入端,設此信號為V2,這兩個信號經過電壓比較器后就產生一個方波脈沖系列信號,并且此方波脈沖系列的占空比隨從(1)腳反饋回的電壓信號的變化而相應增大或變小。它的原理示意圖如圖4所示。

      

      這一方波系列由(11)(14)腳交替輸出,經EXB840模塊去驅動IGBT器件。SG3524還具有過流保護功能,本電路中的用法如圖3。當主電路中有過流情況時,EXB840的驅動模塊中與(5)腳相連的光電耦合器的發光二極管導通,經光電耦合后,光電耦合器左側的晶體三極管導通,因此過流保護輸出端上有高電平輸出,將此端接到SG3524的(10)腳,就可以使SG3524輸出端(11)(14)輸出的脈沖寬度為零,IGBT器件立即處于完全截止狀態,起到過流保護的作用。

      在應用中,IGBT的浪涌吸收是非常重要的。由于IGBT處于高速開關狀態,因此在工作中必然會伴有電壓浪涌與電流浪涌。由于電壓浪涌、電流浪涌嚴重時會產生瞬態過高的電壓和電流而燒壞IGBT器件,故在本電路中采用了浪涌吸收電路,它由電阻、電容和二極管相連組成,其中電阻的選取應根據實驗確定,一般為大功率電阻。

      在本電路中,采用具有雙IGBT的模塊,其中一個IGBT器件只利用其快速恢復二極管起快速續流的作用,以防止IGBT高速關斷時兩端產生過高電壓而擊穿IGBT器件。


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