大功率IGBT驅(qū)動過流保護電路研究

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(xì)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

　　IGBT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IGBT和晶閘管一樣，其抗過載能力不高[1-2].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早老化[3]，故IGBT的驅(qū)動過流保護電路的設(shè)計原則為：一、當(dāng)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現(xiàn)保護；二、當(dāng)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)降至零電壓[4]，至最終為-5伏的反電壓；三、采用適當(dāng)?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

　　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[5]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(dāng)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，上升時間t1由式（1）求得[6].

　　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(dāng)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的柵極驅(qū)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[6].

　　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].

　　還應(yīng)注意[8]：（1）選擇合適的柵極驅(qū)動電壓值；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.

　　2.2模塊驅(qū)動過流保護電路

　　以EXB841系列為例，模塊驅(qū)動過流保護電路[9-10]如圖2.圖2中，9腳為參考地，2腳電位為20V，1腳電位為5V，當(dāng)14腳、15腳之間加上高電平驅(qū)動信號時，EXB841中的互補輸出級中的上管導(dǎo)通，IGBT導(dǎo)通；反之，輸入為低電平時，IGBT關(guān)斷.EXB841內(nèi)部過流保護電路通過檢測IGBT的集射極電壓Vce來判斷IGBT是否過流，其判斷公式為：

　　Vce+V1+VD≥V2    （4）

　　式（4）中，V1為1腳電位；VD為6腳所接二極管D導(dǎo)通壓降；V2為EXB841內(nèi)部二極管擊穿電壓.如設(shè)V1=5V，VD=1V，V2=13V，即Vce=7V時，為過流保護電壓閥值，當(dāng)Vce＜7V時保護電路不工作，其保護功能為：當(dāng)過流時降低柵射極驅(qū)動電壓，并與慢關(guān)斷技術(shù)相結(jié)合[11].在檢測到短路2μS后，開始降低柵極驅(qū)動電壓，10μS內(nèi)降到OV.在這段時間內(nèi)，若短路現(xiàn)象消除，柵極驅(qū)動電壓恢復(fù)到正常值；若故障仍存在，則5腳輸出故障信號，通過一定時間的延遲后，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，同時封鎖輸入信號，這樣避免立即停止輸入信號造成硬關(guān)斷，產(chǎn)生過電壓擊穿IGBT.其不足之處為：一、負(fù)柵壓過低，降低了IGBT的可靠性；二、沒有過流信號鎖定功能，一旦發(fā)生過流故障，并不能在當(dāng)前工作周期內(nèi)實現(xiàn)延時保護關(guān)斷.

　　另外，IR系列、M579系列和VC37系列模快驅(qū)動器的原理與EXB841類似，此處不再贅述，可參閱文獻[12]、[13]、[14]和[15].

　　3結(jié)束語

　　以上介紹了幾種IGBT驅(qū)動過流保護電路.分離元件驅(qū)動過流保護電路復(fù)雜，但設(shè)計靈活、保護功面，模塊驅(qū)動過流保護電路使電路的設(shè)計簡化并具備了一定的保護功能，但這些保護功能是有限的，用時，還要考慮擴展其功能.至于實際應(yīng)用中采用哪一種方法，應(yīng)視實際情況而言.

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