IGBT的驅(qū)動(dòng)和過(guò)流保護(hù)電路的研究
1 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(kāi)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(kāi)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(lèi)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(guò)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(wèn)題，就其工作原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出具有過(guò)流保護(hù)功能的驅(qū)動(dòng)電路，并進(jìn)行了仿真研究。
2 IGBT的驅(qū)動(dòng)要求和過(guò)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**可靠地開(kāi)通和關(guān)斷．其驅(qū)動(dòng)電路必須滿(mǎn)足以下的條件：
IGBT的柵電容比VMOSFET大得多，所以要提高其開(kāi)關(guān)速度，就要有合適的門(mén)極正反向偏置電壓和門(mén)極串聯(lián)電阻。
(1)門(mén)極電壓
任何情況下，開(kāi)通狀態(tài)的柵極驅(qū)動(dòng)電壓都不能超過(guò)參數(shù)表給出的限定值(一般為20v)，*佳門(mén)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*小。雖然門(mén)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、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(mén)極與源極之間加一個(gè)-5~-15v的反向電壓。
(2)門(mén)極串聯(lián)電阻心
選擇合適的門(mén)極串聯(lián)電阻Rg對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要，Rg對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響見(jiàn)圖1。
圖1 Rg對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響
IGBT的輸入阻抗高壓達(dá)109~1011，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)108~109，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I(mǎi)GBT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di／dt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(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程要消耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的功耗，門(mén)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*少峰值電流為:
驅(qū)動(dòng)電源的平均功率為:
2 IGBT的過(guò)流保護(hù)
IGBT的過(guò)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(kāi)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(guò)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**工作區(qū)，用在損壞器件之前，將IGBT關(guān)斷來(lái)避免開(kāi)關(guān)管的損壞。
3 IGBT的驅(qū)動(dòng)和過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)流保護(hù)電路運(yùn)用退集電極飽和原理，在發(fā)生過(guò)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(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間。利用集電極退飽和原理，D1、R6、R7??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(mén)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(kāi)啟電壓，使IGBT開(kāi)通。
當(dāng)控制電路送來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)定值時(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(mén)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(guò)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(kāi)通和關(guān)斷。
(2)具有過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)過(guò)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)*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。