IGBT的一种驱动和过流保护电路的设计

1、IGBT的一种驱动和过流保护电路的设计    一引言绝缘栅双极晶体管（InsulatedGateBipolarTramistor，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，但是如果控制不当一 引言绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate

2、 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。二 IGBT的

3、驱动要求和过流保护分析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、dvdt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

4、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。图1 Rg对开关损耗的影响IGBT的输入阻抗高压达1091011，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108109，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didt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

5、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：驱动电源的平均功率为：一 引言绝缘栅双极晶体管（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

6、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。二 IGBT的驱动要求和过流保护分析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

7、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、dvdt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。图1 Rg对开关损耗的影响IGBT的输入阻抗高压达1091011，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108109，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，

8、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didt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：驱动电源的平均功率为：2 IGBT的过流保护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

9、，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IV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。3 IGBT的驱动和过流保护电路分析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 IGBT驱动和过流保护电路图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V1V3V4构成驱动脉

10、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。.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

11、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。4 仿真与实验本设计电路在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：图3 IGBT输出信号根据前面的原理和分析