IGBT保护电路设计

关于IGBT保护电路设计必知问题绝缘栅双极晶体管(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、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) 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。101】丁图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di/dt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：国-土 &驱动电源的平均功率为：端=3心/.(2)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、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) 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。1- I-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di/dt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：-士心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，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IB GT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：r * * *冉烦*“A.,y4*Ya kivv-rr1 !、| F| | II * x k * i ,h申IpLa i( B J I P i| ii I i H卜小普+,-vjr-“”1侦”八. 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