1、關(guān)于IGBT保護(hù)電路設(shè)計(jì)必知問題絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT）是MOSFET與GTR的復(fù)合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、開關(guān)頻率高、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn)，又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是取代GTR的理想開關(guān)器件。IGBT目前被廣泛使用的具有自關(guān)斷能力的器件，廣泛應(yīng)用于各類固態(tài)電源中。IGBT的工作狀態(tài)直接影響整機(jī)的性能，所以合理的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)整機(jī)顯得很重要，但是如果控制不當(dāng)，它很容易損壞，其中一種就是發(fā)生過流而使IGBT損壞，本文主要研究了IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)問題，就其工作原

2、理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了仿真研究。二 IGBT的驅(qū)動(dòng)要求和過流保護(hù)分析1 IGBT的驅(qū)動(dòng)IGBT是電壓型控制器件，為了能使IGBT安全可靠地開通和關(guān)斷其驅(qū)動(dòng)電路必須滿足以下的條件：IGBT的柵電容比VMOSFET大得多，所以要提高其開關(guān)速度，就要有合適的門極正反向偏置電壓和門極串聯(lián)電阻。（1）門極電壓任何情況下，開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值（一般為20v），最佳門極正向偏置電壓為15v土10。這個(gè)值足夠令I(lǐng)GBT飽和導(dǎo)通；使導(dǎo)通損耗減至最小。雖然門極電壓為零就可使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，但是為了減小關(guān)斷時(shí)間，提高IGBT的耐壓、dvdt耐量和抗

3、干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時(shí)可在門極與源極之間加一個(gè)-5-15v的反向電壓。（2）門極串聯(lián)電阻心選擇合適的門極串聯(lián)電阻Rg對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要，Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響見圖1。圖1 Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響IGBT的輸入阻抗高壓達(dá)1091011，靜態(tài)時(shí)不需要直流電流只需要對(duì)輸入電容進(jìn)行充放電的動(dòng)態(tài)電流。其直流增益可達(dá)108109，幾乎不消耗功率。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯(lián)電阻Rg，當(dāng)Rg增大時(shí)，會(huì)使IGBT的通斷時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加；而減少RF又會(huì)使didt增高，可能損壞IGBT。因此應(yīng)根據(jù)IGBT電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率

4、的不同，選擇合適的Rg，一般選心值為幾十歐姆至幾百歐姆。具體選擇Rg時(shí)要參考器件的使用手冊(cè)。（3）驅(qū)動(dòng)功率的要求IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的功耗，門極正反向偏置電壓之差為Vge，工作頻率為f，柵極電容為Cge，則電源的最少峰值電流為：驅(qū)動(dòng)電源的平均功率為：一 引言絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Tramistor，IGBT）是MOSFET與GTR的復(fù)合器件，因此，它既具有MOSFET的工作速度快、開關(guān)頻率高、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、熱溫度性好的優(yōu)點(diǎn)，又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是取代GTR的理想開關(guān)器件。IGBT目前被廣泛使用

5、的具有自關(guān)斷能力的器件，廣泛應(yīng)用于各類固態(tài)電源中。IGBT的工作狀態(tài)直接影響整機(jī)的性能，所以合理的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)整機(jī)顯得很重要，但是如果控制不當(dāng)，它很容易損壞，其中一種就是發(fā)生過流而使IGBT損壞，本文主要研究了IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)問題，就其工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出具有過流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了仿真研究。二 IGBT的驅(qū)動(dòng)要求和過流保護(hù)分析1 IGBT的驅(qū)動(dòng)IGBT是電壓型控制器件，為了能使IGBT安全可靠地開通和關(guān)斷其驅(qū)動(dòng)電路必須滿足以下的條件：IGBT的柵電容比VMOSFET大得多，所以要提高其開關(guān)速度，就要有合適的門極正反向偏置電壓和門極串聯(lián)電阻。（1）門極電壓任何情況下，開通狀態(tài)

6、的柵極驅(qū)動(dòng)電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值（一般為20v），最佳門極正向偏置電壓為15v土10。這個(gè)值足夠令I(lǐng)GBT飽和導(dǎo)通；使導(dǎo)通損耗減至最小。雖然門極電壓為零就可使IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，但是為了減小關(guān)斷時(shí)間，提高IGBT的耐壓、dvdt耐量和抗干擾能力，一般在使IGBT處于阻斷狀態(tài)時(shí)可在門極與源極之間加一個(gè)-5-15v的反向電壓。（2）門極串聯(lián)電阻心選擇合適的門極串聯(lián)電阻Rg對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要，Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響見圖1。圖1 Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響IGBT的輸入阻抗高壓達(dá)1091011，靜態(tài)時(shí)不需要直流電流只需要對(duì)輸入電容進(jìn)行充放電的動(dòng)態(tài)電流。其直流增益可達(dá)108109，幾乎不消耗功

7、率。為了改善控制脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，減少IGBT集電極大的電壓尖脈沖，需在柵極串聯(lián)電阻Rg，當(dāng)Rg增大時(shí)，會(huì)使IGBT的通斷時(shí)間延長(zhǎng)，能耗增加；而減少RF又會(huì)使didt增高，可能損壞IGBT。因此應(yīng)根據(jù)IGBT電流容量和電壓額定值及開關(guān)頻率的不同，選擇合適的Rg，一般選心值為幾十歐姆至幾百歐姆。具體選擇Rg時(shí)要參考器件的使用手冊(cè)。（3）驅(qū)動(dòng)功率的要求IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的功耗，門極正反向偏置電壓之差為Vge，工作頻率為f，柵極電容為Cge，則電源的最少峰值電流為：驅(qū)動(dòng)電源的平均功率為：2 IGBT的過流保護(hù)IGBT的過流保護(hù)就是當(dāng)上、下橋臂直通時(shí)，電源電壓幾乎全加

8、在了開關(guān)管兩端，此時(shí)將產(chǎn)生很大的短路電流，IGBT飽和壓降越小，其電流就會(huì)越大，從而損壞器件。當(dāng)器件發(fā)生過流時(shí)，將短路電流及其關(guān)斷時(shí)的IV運(yùn)行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區(qū)，用在損壞器件之前，將IGBT關(guān)斷來(lái)避免開關(guān)管的損壞。3 IGBT的驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路分析根據(jù)以上的分析本設(shè)計(jì)提出了一個(gè)具有過流保護(hù)功能的光耦隔離的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，如圖2。圖2 IGBT驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路圖2中，高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的電氣隔離，能夠達(dá)到很好的電氣隔離，適合高頻應(yīng)用場(chǎng)合。驅(qū)動(dòng)主電路采用推挽輸出方式，有效地降低了驅(qū)動(dòng)電路的輸出阻抗，提高了驅(qū)動(dòng)能力，使之適合于大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)，過流保護(hù)電路運(yùn)

9、用退集電極飽和原理，在發(fā)生過流時(shí)及時(shí)的關(guān)斷IGBT，其中V1V3V4構(gòu)成驅(qū)動(dòng)脈沖放大電路。V1和R5構(gòu)成一個(gè)射極跟隨器，該射極跟隨器提供了一個(gè)快速的電流源，減少了功率管的開通和關(guān)斷時(shí)間。利用集電極退飽和原理，D1、R6、R7和V2構(gòu)成短路信號(hào)檢測(cè)電路其中D1采用快速恢復(fù)二極管，為了防止IGBT關(guān)斷時(shí)其集電極上的高電壓竄入驅(qū)動(dòng)電路。為了防止靜電使功率器件誤導(dǎo)通，在柵源之間并接雙向穩(wěn)壓管D3和D4。如是IGBT的門極串聯(lián)電阻。正常工作時(shí)：當(dāng)控制電路送來(lái)高電平信號(hào)時(shí)，光耦6N137導(dǎo)通，V1、V2截止，V3導(dǎo)通而V4截止，該驅(qū)動(dòng)電路向IBGT提供+15V的驅(qū)動(dòng)開啟電壓，使IGBT開通。當(dāng)控制電路送來(lái)

10、低電平信號(hào)時(shí)，光耦6N137截至，VI、V2導(dǎo)通。V4導(dǎo)通而v3截止，該驅(qū)動(dòng)電路向IBGT提供-5v的電壓，使IGBT關(guān)閉。當(dāng)過流時(shí)：當(dāng)電路出現(xiàn)短路故障時(shí)，上、下橋直通此時(shí)+15V的電壓幾乎全加在IGBT上產(chǎn)生很大的電流，此時(shí)在短路信號(hào)檢測(cè)電路中v2截止，A點(diǎn)的電位取決于D1、R6、R7和Vces的分壓決定，當(dāng)主電路正常工作時(shí)，且IGBT導(dǎo)通時(shí)，A點(diǎn)保持低電平，從而低于B點(diǎn)電位。所有A1輸出低電平，此時(shí)V5截止，而c點(diǎn)為高電平，所以正常工作時(shí)。輸入到光耦6N137的信號(hào)始終和輸出保持一致。當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，IGBT集電極退飽和，A點(diǎn)電位升高，當(dāng)高于B電位（即是所設(shè)置的電位）時(shí)，即是當(dāng)電流超過設(shè)計(jì)定

11、值時(shí)，A1翻轉(zhuǎn)而輸出高電平，V5導(dǎo)通，從而將C點(diǎn)的電位箝在低電位狀態(tài)，使與門4081始終輸出低電平，即無(wú)論控制電路送來(lái)是高電平或是低電平，輸人到光耦6N137的信號(hào)始終都是低電平，從而關(guān)斷功率管。從而達(dá)到過流保護(hù)。直到將電路的故障排除后，重新啟動(dòng)電路。4 仿真與實(shí)驗(yàn)本設(shè)計(jì)電路在orCAD軟件的仿真圖形如下：向驅(qū)動(dòng)電路輸入，高電平為+15v，低電平為-5v的方波信號(hào)。IGBT的輸出波形如圖3所示：圖3 IGBT輸出信號(hào)根據(jù)前面的原理和分析，該電路的實(shí)際電路輸出波形如圖4所示：圖4實(shí)際電路輸出波形5 結(jié)論（1）該驅(qū)動(dòng)電路能夠?yàn)镮GBT提供+15v和-5V驅(qū)動(dòng)電壓確保IGBT的開通和關(guān)斷。（2）具有

12、過流保護(hù)功能，當(dāng)過流時(shí)，保護(hù)電路起作用，及時(shí)的關(guān)斷IGBT，防止IGBT損壞。（3）本電路的可根據(jù)負(fù)載的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)最大電流，可以有很廣的使用范圍。（4）本設(shè)計(jì)采用分立元件組成驅(qū)動(dòng)電路，降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。摘要：全面論述了IGBT的過流保護(hù)、過壓保護(hù)與過熱保護(hù)的有關(guān)問題，并從實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)出各種保護(hù)方法，這些方法實(shí)用性強(qiáng)，保護(hù)效果好。 1 引言IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）是一種用MOS來(lái)控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用在變頻器的逆變電路中。但由于IGBT的耐過流能力與耐過壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會(huì)使它損壞。為此，必須但對(duì)IGBT進(jìn)行相

13、關(guān)保護(hù) 本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)出了過流、過壓與過熱保護(hù)的相關(guān)問題和各種保護(hù)方法，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用效果好。2 過流保護(hù)生產(chǎn)廠家對(duì)IGBT提供的安全工作區(qū)有嚴(yán)格的限制條件，且IGBT承受過電流的時(shí)間僅為幾微秒（SCR、GTR等器件承受過流時(shí)間為幾十微秒），耐過流量小，因此使用IGBT首要注意的是過流保護(hù)。產(chǎn)生過流的原因大致有：晶體管或二極管損壞、控制與驅(qū)動(dòng)電路故障或干擾等引起誤動(dòng)、輸出線接錯(cuò)或絕緣損壞等形成短路、輸出端對(duì)地短路與電機(jī)絕緣損壞、逆變橋的橋臂短路等。對(duì)IGBT的過流檢測(cè)保護(hù)分兩種情況：（1）驅(qū)動(dòng)電路中無(wú)保護(hù)功能。這時(shí)在主電路中要設(shè)置過流檢測(cè)器件。對(duì)于小容量變頻器，一般是把電阻R直接串接

14、在主電路中，如圖1（a）所示，通過電阻兩端的電壓來(lái)反映電流的大小；對(duì)于大中容量變頻器，因電流大，需用電流互感器TA（如霍爾傳感器等）。電流互感器所接位置：一是像串電阻那樣串接在主回路中，如圖1（a）中的虛線所示；二是串接在每個(gè)IGBT上，如圖1（b）所示。前者只用一個(gè)電流互感器檢測(cè)流過IGBT的總電流，經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，但檢測(cè)精度較差；后者直接反映每個(gè)IGBT的電流，測(cè)量精度高，但需6個(gè)電流互感器。過電流檢測(cè)出來(lái)的電流信號(hào)，經(jīng)光耦管向控制電路輸出封鎖信號(hào)，從而關(guān)斷IGBT的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。圖1 IGBT的過流檢測(cè) （2）驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)有保護(hù)功能。如日本英達(dá)公司的HR065、富士電機(jī)的EXB84084

15、4、三菱公司的M57962L等，是集驅(qū)動(dòng)與保護(hù)功能于一體的集成電路（稱為混合驅(qū)動(dòng)模塊），其電流檢測(cè)是利用在某一正向柵壓Uge下，正向?qū)ü軌航礥ce（ON）與集電極電流Ie成正比的特性，通過檢測(cè)Uce（ON）的大小來(lái)判斷Ie的大小，產(chǎn)品的可靠性高。不同型號(hào)的混合驅(qū)動(dòng)模塊，其輸出能力、開關(guān)速度與du/dt的承受能力不同，使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)選用。由于混合驅(qū)動(dòng)模塊本身的過流保護(hù)臨界電壓動(dòng)作值是固定的（一般為710V），因而存在著一個(gè)與IGBT配合的問題。通常采用的方法是調(diào)整串聯(lián)在IGBT集電極與驅(qū)動(dòng)模塊之間的二極管V的個(gè)數(shù)，如圖2（a）所示，使這些二極管的通態(tài)壓降之和等于或略大于驅(qū)動(dòng)模塊過流保

16、護(hù)動(dòng)作電壓與IGBT的通態(tài)飽和壓降Uce（ON）之差。圖2 混合驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT過流保護(hù)的配合上述用改變二極管的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)整過流保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)的方法，雖然簡(jiǎn)單實(shí)用，但精度不高。這是因?yàn)槊總€(gè)二極管的通態(tài)壓降為固定值，使得驅(qū)動(dòng)模塊與IGBT集電極c之間的電壓不能連續(xù)可調(diào)。在實(shí)際工作中，改進(jìn)方法有兩種：（1）改變二極管的型號(hào)與個(gè)數(shù)相結(jié)合。例如，IGBT的通態(tài)飽和壓降為2.65V，驅(qū)動(dòng)模塊過流保護(hù)臨界動(dòng)作電壓值為7.84V時(shí)，那么整個(gè)二極管上的通態(tài)壓降之和應(yīng)為7.84-2.65=5.19V，此時(shí)選用7個(gè)硅二極管與1個(gè)鍺二極管串聯(lián)，其通態(tài)壓降之和為0.77+0.31=5.20V（硅管視為0.7V，鍺管視為0

17、.3V），則能較好地實(shí)現(xiàn)配合 （2）二極管與電阻相結(jié)合。由于二極管通態(tài)壓降的差異性，上述改進(jìn)方法很難精確設(shè)定IGBT過流保護(hù)的臨界動(dòng)作電壓值 如果用電阻取代12個(gè)二極管，如圖2（b），則可做到精確配合。另外，由于同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的控制信號(hào)重疊或開關(guān)器件本身延時(shí)過長(zhǎng)等原因，使上下兩個(gè)IGBT直通，橋臂短路，此時(shí)電流的上升率和浪涌沖擊電流都很大，極易損壞IGBT 為此，還可以設(shè)置橋臂互鎖保護(hù)，如圖3所示。圖中用兩個(gè)與門對(duì)同一橋臂上的兩個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行互鎖，使每個(gè)IGBT的工作狀態(tài)都互為另一個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)可否通過的制約條件，只有在一個(gè)IGBT被確認(rèn)關(guān)斷后，另一個(gè)IGBT才能導(dǎo)通，

18、這樣嚴(yán)格防止了臂橋短路引起過流情況的出現(xiàn)。圖3 IGBT橋臂直通短路保護(hù)3 過壓保護(hù)IGBT在由導(dǎo)通狀態(tài)關(guān)斷時(shí)，電流Ic突然變小，由于電路中的雜散電感與負(fù)載電感的作用，將在IGBT的c、e兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓uce=L dic/dt，加之IGBT的耐過壓能力較差，這樣就會(huì)使IGBT擊穿，因此，其過壓保護(hù)也是十分重要的。過壓保護(hù)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：（1）盡可能減少電路中的雜散電感。作為模塊設(shè)計(jì)制造者來(lái)說(shuō)，要優(yōu)化模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如采用分層電路、縮小有效回路面積等），減少寄生電感；作為使用者來(lái)說(shuō)，要優(yōu)化主電路結(jié)構(gòu)（采用分層布線、盡量縮短聯(lián)接線等），減少雜散電感。另外，在整個(gè)線路上多加一些低阻

19、低感的退耦電容，進(jìn)一步減少線路電感。所有這些，對(duì)于直接減少IGBT的關(guān)斷過電壓均有較好的效果。（2）采用吸收回路。吸收回路的作用是；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，吸收電感中釋放的能量，以降低關(guān)斷過電壓。常用的吸收回路有兩種，如圖4所示。其中（a）圖為充放電吸收回路，（b）圖為鉗位式吸收回路。對(duì)于電路中元件的選用，在實(shí)際工作中，電容c選用高頻低感圈繞聚乙烯或聚丙烯電容，也可選用陶瓷電容，容量為2 F左右。電容量選得大一些，對(duì)浪涌尖峰電壓的抑制好一些，但過大會(huì)受到放電時(shí)間的限制。電阻R選用氧化膜無(wú)感電阻，其阻值的確定要滿足放電時(shí)間明顯小于主電路開關(guān)周期的要求，可按RT/6C計(jì)算，T為主電路的開關(guān)周期。二極管V應(yīng)選用正向過渡電壓低、逆向恢復(fù)時(shí)間短的軟特性緩沖二極管。（3）適當(dāng)增大柵極電阻Rg。實(shí)踐證明，Rg增大，使IGBT的開關(guān)速度減慢，能明顯減少開關(guān)過電壓尖峰，但相應(yīng)