大功率IGBT驅(qū)動過流保護電路研究

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1、2005年9月襄樊學院學報Sept.,2005第26卷第5期JournalofXiangfanUniversityVol.26No.5大功率IGBT驅(qū)動過流保護電路研究蔡兵，王培元（襄樊學院物理學系，湖北襄樊441053）摘要：針對IGBT驅(qū)動過流保護問題，提出了分離元件驅(qū)動過流保護電路和模塊驅(qū)動過流保護電路.文中給出了分離元件驅(qū)動過流保護電路和模塊驅(qū)動過流保護電路,并詳細分析了兩者的工作原理，指出了它們之間的優(yōu)缺點.關(guān)鍵詞：IGBT；分離元件驅(qū)動過流保護電路；模塊驅(qū)動過流保護電路+中圖分類號:TP273.4文獻標志碼:A文章編號:1009-2854(2005)05-0

2、060-03IGBT因其飽和壓降低和工作頻率高等優(yōu)點而成為大功率開關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率器件，但[1-2]IGBT和晶閘管一樣，其抗過載能力不高.因此，如何設(shè)計IGBT的驅(qū)動過流保護電路，使之具有完善的驅(qū)動過流保護功能，是設(shè)計者必須考慮的問題.本文從應(yīng)用角度，歸納、總結(jié)了IGBT的驅(qū)動過流保護電路的設(shè)計方法.1驅(qū)動過流保護電路的驅(qū)動過流保護原則IGBT的技術(shù)資料表明，IGBT在10μS內(nèi)最大可承受2倍的額定電流，但是經(jīng)常承受過電流會使器件過[3]早老化，故IGBT的驅(qū)動過流保護電路的設(shè)計原則為：一、當過電流值小于2倍額定電流值時，可采用瞬時封鎖柵極電壓的方法來實

3、現(xiàn)保護；二、當過電流值大于2倍額定電流值時，由于瞬時封鎖柵極電壓會使di/dt很大，會在主回路中感應(yīng)出較高的尖峰電壓，故應(yīng)采用軟關(guān)斷方法使柵極電壓在2μS—5μS的時間內(nèi)降至[4]零電壓，至最終為-5伏的反電壓；三、采用適當?shù)臇艠O驅(qū)動電壓.基于上述思想，驅(qū)動過流保護電路現(xiàn)分為分離元件驅(qū)動過流保護電路和模塊驅(qū)動過流保護電路.2驅(qū)動過流保護電路的設(shè)計2.1分離元件驅(qū)動過流保護電路[5]以多電源驅(qū)動過流保護電路為例，分離元件驅(qū)動過流保護電路如圖1.圖1中，T1、T4和T5構(gòu)成IGBT的驅(qū)動電路，DZ1、T3、D2、C4構(gòu)成延時降壓電路.T6、555集成電路和光耦LP2構(gòu)成延時

4、電路.在正常開通時，T1和T4導(dǎo)通，由于D1和R6的作用，B點電路不會超過DZ1擊穿電壓，此時T3截止，D點電位不會下降，延時電路不延時，T2截止.當IGBT流過短路電流時，IGBT的集射極壓降上升，此時C點電位上升，[6]上升時間t1由式（1）求得.?(t1)V=V+(V?V)eτ1（1）1CCC2CC式（1）中，VCC是電源電壓，單位為伏特；V1是DZ1擊穿電壓，單位為伏特；τ2=R2×C2，為時間常數(shù)，單位為秒；VC2為電容C2的初始電壓，單位為伏特.當C點電位上升到DZ1的擊穿電壓時，T3導(dǎo)通，C4放電，D點電位下降，即F點和G點電位下降，IGBT[6]的柵極驅(qū)

5、動電壓下降.同時，光耦LP2導(dǎo)通，延時電路開始計時，此計時時間t2由式（2）求得.?(t2)V=V+(V?V)eτ2（2）2CCC5CC收稿日期:2005-05-10作者簡介:蔡兵(1964-),男,湖北鐘祥人,襄樊學院物理學系副教授，主要研究方向:計算機自動控制技術(shù).第26卷第5期襄樊學院學報2005年第5期式（2）中，VCC是電源電壓，單位為伏特；V2是555翻轉(zhuǎn)電平，單位為伏特；τ2=（R14+R15）×C5，為時間常數(shù)，單位為秒；VC5為電容C5的初始電壓，單位為伏特.如果過流故障在555計時時間t2內(nèi)消除，則C點電位下降恢復(fù)到原來值，DZ1、T3立即截止，同時

6、C4開始充電，F(xiàn)點和G點電位上升，IGBT的柵極電壓恢復(fù)到原來的正常值，IGBT繼續(xù)正常工作；如果在555計時時間t2內(nèi)過流故障還沒有消除，則555輸出高電平，經(jīng)T7、CD4043和CD4081驅(qū)動光耦LP1，使A點電位下降并保持，T1截止，T5導(dǎo)通，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，導(dǎo)致IGBT截止，從而實現(xiàn)延時緩降壓過流保護.其從發(fā)生過流故障到徹底關(guān)斷IGBT所需的總時間t為t=t1+t2（3）式（3）中，t、t1和t2的單位都是秒.此外，單電源驅(qū)動過流保護電路的原理與上述多電源驅(qū)動過流保護電路類似，可參閱文獻[7].[8]還應(yīng)注意：（1）選擇合適的柵極驅(qū)動電壓值；

7、正電壓值一般在12V—15V為宜，12V最佳，反向電壓一般在5V—10V；（2）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻值，一般選幾歐姆到十幾歐姆；（3）選擇合適的柵射極并聯(lián)電阻值或穩(wěn)壓二極管.從上述分析可知，分離元件驅(qū)動過流保護電路復(fù)雜，但設(shè)計靈活.R6D1+15VT4R1R2T1R5R7R9R10R11IGBTFGAR4DZ1T3R8BCD2R3DET50VC2C3R21C4DZ2-5VC1T2R19C7+15VR14R13R12R18R165554043C8R15LP1R20T7C5T6R17LP2C64081圖1分離元件驅(qū)動過流保護電路圖2.2模塊