IGBT驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路研究

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1、IGBT的驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路的研究摘要：本文首先談?wù)摿薎GBT的驅(qū)動(dòng)電路的基本要求和過流保護(hù)分析,然后運(yùn)用IGBT集電極退飽和原理,提供了一個(gè)采用分立元件構(gòu)成的IGBT驅(qū)動(dòng)電路和過流保護(hù)電路。仿真和試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的可行性。　　一引言　　盡緣柵雙極晶體管(INSulatedGateBipo1arTRANSISTOR，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、輸進(jìn)阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡單、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)

2、優(yōu)點(diǎn)，是取代GTR的理想開關(guān)器件[1]。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，所以公道的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)整機(jī)顯得很重要，但是假如控制不當(dāng)，它很輕易損壞，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)題目，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?！　《蘒GBT的驅(qū)動(dòng)　　要求和過流保護(hù)分析　　1IGBT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

3、須滿足以下的條件：IGBT的柵電容比VMOSFET大得多，所以要進(jìn)步其開關(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?！　。?）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。固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，進(jìn)步IGBT的耐壓、dv／dt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[

4、2]。　?。?）門極串聯(lián)電阻RG　　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[3]?！　?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I-V運(yùn)行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區(qū)[5]，用在損壞器件之前，將IGBT關(guān)斷來避免開關(guān)管的損壞?！　∪齀GBT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

5、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中，高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)輸進(jìn)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，進(jìn)步了驅(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)用退集電極飽和原理，圖2IGBT驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路在發(fā)生過流時(shí)及時(shí)的關(guān)斷IGBT，其中V1,V3,V4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

6、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進(jìn)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。GR是IGBT的門極串聯(lián)電阻。正常工作時(shí)：當(dāng)控制電路送來高電平信號(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)控制電路送來低電平信號(hào)時(shí)，光耦6N137截至，V1、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

7、電壓，使IGBT封閉。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CESv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)，輸進(jìn)到光耦6N137的信號(hào)始終和輸出保持一致?！　‘?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)定值時(shí)，A

8、1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，即無論控制電路送來是高電平或是低電平，輸進(jìn)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?！　∷模悍抡媾c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)電路輸進(jìn)，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所在發(fā)生過流時(shí)及時(shí)的關(guān)斷