大功率IGBT驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路研究

摘要：針對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)問題，提出了分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路.文中給出了分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)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(diǎn).

關(guān)鍵詞：IGBT；分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路；模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路

　　IGBT因其飽和壓降低和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)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I(xiàn)GBT和晶閘管一樣，其抗過載能力不高[1-2].因此，如何設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路，使之具有完善的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)功能，是設(shè)計(jì)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(dòng)過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法.

　　1驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)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(huì)使器件過早老化[3]，故IGBT的驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)原則為：一、當(dāng)過電流值小于2倍額定電流值時(shí)，可采用瞬時(shí)封鎖柵極電壓的方法來實(shí)現(xiàn)保護(hù)；二、當(dāng)過電流值大于2倍額定電流值時(shí)，由于瞬時(shí)封鎖柵極電壓會(huì)使di/dt很大，會(huì)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(shí)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(dòng)電壓.基于上述思想，驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路現(xiàn)分為分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路.

　　2驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　2.1分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路

　　以多電源驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路為例，分離元件驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路[5]如圖1.圖1中，T1、T4和T5構(gòu)成IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，DZ1、T3、D2、C4構(gòu)成延時(shí)降壓電路.T6、555集成電路和光耦LP2構(gòu)成延時(shí)電路.在正常開通時(shí)，T1和T4導(dǎo)通，由于D1和R6的作用，B點(diǎn)電路不會(huì)超過DZ1擊穿電壓，此時(shí)T3截止，D點(diǎn)電位不會(huì)下降，延時(shí)電路不延時(shí)，T2截止.當(dāng)IGBT流過短路電流時(shí)，IGBT的集射極壓降上升，此時(shí)C點(diǎn)電位上升，上升時(shí)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(shí)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(diǎn)電位上升到DZ1的擊穿電壓時(shí)，T3導(dǎo)通，C4放電，D點(diǎn)電位下降，即F點(diǎn)和G點(diǎn)電位下降，IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電壓下降.同時(shí)，光耦LP2導(dǎo)通，延時(shí)電路開始計(jì)時(shí)，此計(jì)時(shí)時(shí)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(shí)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(jì)時(shí)時(shí)間t2內(nèi)消除，則C點(diǎn)電位下降恢復(fù)到原來值，DZ1、T3立即截止，同時(shí)C4開始充電，F(xiàn)點(diǎn)和G點(diǎn)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(jì)時(shí)時(shí)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(dòng)光耦LP1，使A點(diǎn)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(shí)現(xiàn)延時(shí)緩降壓過流保護(hù).其從發(fā)生過流故障到徹底關(guān)斷IGBT所需的總時(shí)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(dòng)過流保護(hù)電路的原理與上述多電源驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路類似，可參閱文獻(xiàn)[7].

　　還應(yīng)注意[8]：（1）選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)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；

　?。?）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻值，一般選幾歐姆到十幾歐姆；

　?。?）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(dòng)過流保護(hù)電路復(fù)雜，但設(shè)計(jì)靈活.

　　2.2模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)電路

　　以EXB841系列為例，模塊驅(qū)動(dòng)過流保護(hù)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(dòng)信號(hào)時(shí)，EXB841中的互補(bǔ)輸出級(jí)中的上管導(dǎo)通，IGBT導(dǎo)通；反之，輸入為低電平時(shí)，IGBT關(guān)斷.EXB841內(nèi)部過流保護(hù)電路通過檢測(cè)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(shí)，為過流保護(hù)電壓閥值，當(dāng)Vce＜7V時(shí)保護(hù)電路不工作，其保護(hù)功能為：當(dāng)過流時(shí)降低柵射極驅(qū)動(dòng)電壓，并與慢關(guān)斷技術(shù)相結(jié)合[11].在檢測(cè)到短路2μS后，開始降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，10μS內(nèi)降到OV.在這段時(shí)間內(nèi)，若短路現(xiàn)象消除，柵極驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)到正常值；若故障仍存在，則5腳輸出故障信號(hào)，通過一定時(shí)間的延遲后，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，同時(shí)封鎖輸入信號(hào)，這樣避免立即停止輸入信號(hào)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(hào)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(shí)現(xiàn)延時(shí)保護(hù)關(guān)斷.

　　另外，IR系列、M579系列和VC37系列?？祢?qū)動(dòng)器的原理與EXB841類似，此處不再贅述，可參閱文獻(xiàn)[12]、[13]、[14]和[15].

　　3結(jié)束語(yǔ)

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

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張立.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2000.

　　[2]林謂勛.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

　　[3]楊志，劉建政,趙爭(zhēng)鳴，等.用于三電平逆變器中的IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2004,24（4）:42-

　　[4]郝潤(rùn)科,楊一波.絕緣柵欄雙極型晶體管（IGBT）驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路的研究[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,26（3）:283-285.

　　[5]王強(qiáng),劉皓,陳軍.IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的改良設(shè)計(jì)[J].電子工程師,2004,30（10）:41-43.

　　[6]邱關(guān)源.電路[M].北京:高等教育出版社,2000.

　　[7]王永,沈饒華.一種簡(jiǎn)單的IGBT驅(qū)動(dòng)和過流保護(hù)電路[J].電測(cè)和儀表,2004,41（4）:25-27.

　　[8]衛(wèi)三民,李發(fā)海.一種大功率IGBT實(shí)用驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2001,41（9）:55-57.

　　[9]劉建芳.IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的研究[J].青島化工學(xué)院學(xué)報(bào),2001,22（4）:392-394.

　　[10]王威,李亮,方昕,等.高壓大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)方案研究[J].通信電源技術(shù),2005,22（10）:11-13.

　　[11]胡雪峰,侯漠.IGBT集成驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊的分析、比較與選用[J].機(jī)床電器,2004,（3）:43-44.

　　[12]李振民.IGBT驅(qū)動(dòng)與短路保護(hù)電路研究[J].電測(cè)與儀表,2002,（6）:48-50.

　　[13]陳治明.電力電子器件基礎(chǔ)[J].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

　　[14]劉振東.一種實(shí)用的逆變橋功率開關(guān)管門極關(guān)斷箝位電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2004,（1）:22-23.

　　[15]趙渝青.簡(jiǎn)單實(shí)用的IGBT保護(hù)電路[J].電氣開關(guān),2005,（11）:19-20.