IGBT的驱动和过流保护电路的研究 - 模拟技术 - 电子工程师

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<strong>1 引言</strong>

绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT)是MOSFET与GTR的复合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了GTR的载流量大、阻断电压高等多项优点．是取代GTR的理想开关器件。IGBT目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，广泛应用于各类固态电源中。IGBT的工作状态直接影响整机的性能，所以合理的驱动电路对整机显得很重要，但是如果控制不当，它很容易损坏，其中一种就是发生过流而使IGBT损坏，本文主要研究了IGBT的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路，并进行了仿真研究。

<strong>2 IGBT的驱动要求和过流保护分析</strong>

1 IGBT的驱动

IGBT是电压型控制器件，为了能使IGBT安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：

IGBT的栅电容比VMOSFET大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。

(1)门极电压

任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值(一般为20v)，最佳门极正向偏置电压为15v土10％。这个值足够令IGBT饱和导通；使导通损耗减至最小。虽然门极电压为零就可使IGBT处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高IGBT的耐压、dv／dt耐量和抗干扰能力，一般在使IGBT处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。

(2)门极串联电阻心

选择合适的门极串联电阻Rg对IGBT的驱动相当重要，Rg对开关损耗的影响见图1。


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图1 Rg对开关损耗的影响

IGBT的输入阻抗高压达10<sup>9</sup>~10<sup>11</sup>，静态时不需要直流电流．只需要对输入电容进行充放电的动态电流。其直流增益可达10<sup>8</sup>~10<sup>9</sup>，几乎不消耗功率。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少IGBT集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻Rg，当Rg增大时，会使IGBT的通断时间延长，能耗增加；而减少Rf又会使di／dt增高，可能损坏IGBT。因此应根据IGBT电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的Rg，一般选心值为几十欧姆至几百欧姆。具体选择Rg时．要参考器件的使用手册。

(3)驱动功率的要求

IGBT的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗，门极正反向偏置电压之差为△Vge，工作频率为f，栅极电容为Cge，则电源的最少峰值电流为:

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驱动电源的平均功率为:

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<strong>2 IGBT的过流保护</strong>

IGBT的过流保护就是当上、下桥臂直通时，电源电压几乎全加在了开关管两端，此时将产生很大的短路电流，IGBT饱和压降越小，其电流就会越大，从而损坏器件。当器件发生过流时，将短路电流及其关断时的I—V运行轨迹限制在IGBT的短路安全工作区，用在损坏器件之前，将IGBT关断来避免开关管的损坏。

<strong>3 IGBT的驱动和过流保护电路分析</strong>

根据以上的分析．本设计提出了一个具有过流保护功能的光耦隔离的IGBT驱动电路，如图2。

图2中，高速光耦6N137实现输入输出信号的电气隔离，能够达到很好的电气隔离，适合高频应用场合。驱动主电路采用推挽输出方式，有效地降低了驱动电路的输出阻抗，提高了驱动能力，使之适合于大功率IGBT的驱动，过流保护电路运用退集电极饱和原理，在发生过流时及时的关断IGBT，其中V1．V3．V4构成驱动脉冲放大电路。V1和R5构成一个射极跟随器，该射极跟随器提供了一个快速的电流源，减少了功率管的开通和关断时间。利用集电极退饱和原理，D1、R6、R7和V2构成短路信号检测电路．其中D1采用快速恢复二极管，为了防止IGBT关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器件误导通，在栅源之间并接双向稳压管D3和D4。如是IGBT的门极串联电阻。


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图2 IGBT驱动和过流保护电路

正常工作时：

当控制电路送来高电平信号时，光耦6N137导通，V1、V2截止，V3导通而V4截止，该驱动电路向IBGT提供+15V的驱动开启电压，使IGBT开通。

当控制电路送来低电平信号时，光耦6N137截至，VI、V2导通。V4导通而v3截止，该驱动电路向IBGT提供-5v的电压，使IGBT关闭。

当过流时：

当电路出现短路故障时，上、下桥直通此时+15V的电压几乎全加在IGBT上．产生很大的电流，此时在短路信号检测电路中v2截止，A点的电位取决于D1、R6、R7和Vces的分压决定，当主电路正常工作时，且IGBT导通时，A点保持低电平，从而低于B点电位。所有A1输出低电平，此时V5截止，而c点为高电平，所以正常工作时。输入到光耦6N137的信号始终和输出保持一致。当发生过流时，IGBT集电极退饱和，A点电位升高，当高于B电位(即是所设置的电位)时，即是当电流超过设计定值时，A1翻转而输出高电平，V5导通，从而将C点的电位箝在低电位状态，使与门4081始终输出低电平，即无论控制电路送来是高电平或是低电平，输人到光耦6N137的信号始终都是低电平，从而关断功率管。从而达到过流保护。直到将电路的故障排除后，重新启动电路。

<strong>4 仿真与实验</strong>

本设计电路在orCAD软件的仿真图形如下：

向驱动电路输入，高电平为+15v，低电平为-5v的方波信号。IGBT的输出波形如图3所示：


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图3 IGBT输出信号

根据前面的原理和分析，该电路的实际电路输出波形如图4所示：


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图4实际电路输出波形

<strong>5 结论</strong>

(1)该驱动电路能够为IGBT提供+15v和-5V驱动电压确保IGBT的开通和关断。

(2)具有过流保护功能，当过流时，保护电路起作用，及时的关断IGBT，防止IGBT损坏。

(3)本电路的可根据负载的需要动态调节最大电流，可以有很广的使用范围。

(4)本设计采用分立元件组成驱动电路，降低整个系统的成本。

本文作者创新点：采用分立元件组成具有过流保护功能的驱动电路，降低整个系统的成本。根据负载的需要动态调节最大电流，可以有很广的使用范围。



作者：孙汉卿，袁磊，余周，雷进辉  来源：《微计算机信息》(嵌入式与soc)2009年第6-2期