IGBT的驱动和过流保护电路的研究

摘要：本文首先谈论了IGBT的驱动电路的基本要求和过流保护分析,然后运用IGBT集电极退饱和原理,提供了一个采用分立元件构成的IGBT驱动电路和过流保护电路。仿真和试验结果证实了所设计驱动电路的可行性。

　　一 引言

　　尽缘栅双极晶体管(INSulated Gate Bipo1ar TRANSISTOR，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、输进阻抗高、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[1]。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，所以公道的驱动电路对整机显得很重要，但 是假如控制不当，它很轻易损坏，其中一种就是发生过流而使IGBT 损坏，本文主要研究了 IGBT 的驱动和短路保护题目，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，所以要进步其开关速度，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。 固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，进步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]。

　　（2）门极串联电阻RG

　　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[3]。

　　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，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 运行轨迹在IGBT 的短路安全工作区[5] ，用在 损坏器件之前，将IGBT 关断来避免开关管的损坏。

　　三 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 中，高速光耦6N137 实现输进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，进步了驱动能力，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， 图2 IGBT 驱动和过流保护电路 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进驱动电路。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。G R 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，V1、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 封闭。 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CES v 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，输进到光耦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，输进到光耦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。

　　四：仿真与实验

　　本设计电路在orCAD 软件的仿真图形如下： 向驱动电路输进，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进驱动电路。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。G R 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，V1、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 封闭。

　　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CES v 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，输进到光耦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，输进到光耦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。

　　四：仿真与实验

　　本设计电路在orCAD 软件的仿真图形如下：

　　向驱动电路输进，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：

　　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：

　　五：结论：

　　（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，降低整个系统的本钱。