IGBT驅(qū)動(dòng)及短路保護(hù)電路研究

仵岳

摘要：本文對(duì)IGBT的短路保護(hù)電路進(jìn)行了討論，并且對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路的基本要求進(jìn)行了介紹。隨后筆者以IGBT集電極退飽和原理為根據(jù)將一個(gè)短路保護(hù)功能比較齊全的IGBT驅(qū)動(dòng)電路提了出來(lái)。該電路具有可靠性高、實(shí)用以及簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，目前在新開(kāi)發(fā)的等離子噴涂電源中已經(jīng)成功的運(yùn)用了該電路，其在惡劣的環(huán)境下也具有良好的運(yùn)行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：短路保護(hù) 驅(qū)動(dòng)電路 IGBT

ICBT是一種具有良好的綜合性能的功率開(kāi)關(guān)器件，因此被廣泛的應(yīng)用在了各種變流裝置中。由于以往的設(shè)計(jì)者往往只是對(duì)緩沖電路和主回路的設(shè)計(jì)比較關(guān)注，而將其短路保護(hù)電路以及IGBT驅(qū)動(dòng)忽視了，這樣就導(dǎo)致整機(jī)的可靠性在很大程度上受到了這些問(wèn)題的影響。為了能夠有效的解決上述的問(wèn)題，本文論述了如何對(duì)短路保護(hù)電路和IGBT驅(qū)動(dòng)進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，筆者在此IGBT的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了分析，并對(duì)其短路保護(hù)功能進(jìn)行了優(yōu)化。

1 IGBT在保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路方面的要求

1.1 IGBT及其dν/dt保護(hù)和短路保護(hù)分析

①IGBT的dν/dt保護(hù)主要指的是在如果具有過(guò)高的集射極間電壓變化率，也就是具有較高的dν/dt，就有可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)IGBT發(fā)生動(dòng)態(tài)鎖定效應(yīng)，在嚴(yán)重的情況下還會(huì)將IGBT擊穿。不僅如此，因?yàn)榧?jí)間等效電容的存在，如果dν/dt過(guò)大還會(huì)對(duì)IGBT造成進(jìn)一步的影響，致使器件誤導(dǎo)通的現(xiàn)象出現(xiàn)。針對(duì)這種情況可以使用緩慢降低柵極電壓的方式以及對(duì)關(guān)斷緩沖電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，就能夠使dν/dt得到有效降低[1]。②當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，在IGBT的還沒(méi)有出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性損壞時(shí)就對(duì)其進(jìn)行保護(hù)關(guān)斷，就是所謂的IGBT的短路保護(hù)。同時(shí)在IGBT的短路安全工作區(qū)內(nèi)對(duì)I一V在保護(hù)關(guān)斷時(shí)的運(yùn)行軌跡和短路電流進(jìn)行限制。除了會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生熱失效之外，器件的鎖定效應(yīng)和電壓擊穿等現(xiàn)象也與短路電流有著密切的關(guān)系。其主要原因在于IGBT的內(nèi)部存在寄生晶閘管結(jié)構(gòu)，當(dāng)大于擎住電流的短路電流出現(xiàn)時(shí)，IGBT就會(huì)出現(xiàn)鎖定效應(yīng)，并喪失了柵控關(guān)斷能力。采用對(duì)短路電流的幅值進(jìn)行限制的方式就能夠?qū)︽i定效應(yīng)的發(fā)生起到有效的預(yù)防作用。

1.2 IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的基本要求分析

IGBT屬于一種功率開(kāi)關(guān)器件，因此整機(jī)的性能在很大程度上受到了IGBT的工作狀態(tài)的影響。因此對(duì)合理的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行選擇或者設(shè)計(jì)就具有十分重要的作用，一般來(lái)說(shuō)，理想的驅(qū)動(dòng)電路必須要保證具備以下幾項(xiàng)功能[2]。

①驅(qū)動(dòng)電路必須要將正反向柵極電壓VGE提供給IGBT。器件VCES會(huì)隨著正向VGE的增高而逐漸的降低，這樣對(duì)器件的通態(tài)損耗就會(huì)越為有利。然而為了能夠?qū)Χ搪冯娏鞯姆灯鸬接行У南拗谱饔茫话阈枰?0V的范圍內(nèi)對(duì)VGE進(jìn)行控制[3]。②驅(qū)動(dòng)電路必須能夠有效的隔離輸出和輸入信號(hào)，而且對(duì)驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部的信號(hào)傳輸?shù)难訒r(shí)進(jìn)行控制，最好能夠達(dá)到無(wú)延時(shí)[4]。③理想的驅(qū)動(dòng)電路在出現(xiàn)過(guò)流故障或者短路故障的時(shí)候必須要具備短路保護(hù)的功能。

2 IGBT驅(qū)動(dòng)和電路保護(hù)的措施

筆者以電路保護(hù)方案和IGBT驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了IGBT驅(qū)動(dòng)電路，其具有比較齊全的短路保護(hù)功能，具體情況見(jiàn)圖1。

圖1 IGBT驅(qū)動(dòng)及短路保護(hù)電路方案

對(duì)輸出和輸入信號(hào)進(jìn)行隔離的任務(wù)可以由其高速光藕6N137來(lái)完成，只有75ns的信號(hào)傳輸延時(shí)，因此在高頻應(yīng)用場(chǎng)合特別適用。動(dòng)脈沖功率放大環(huán)節(jié)主要由V2、V3、V4共同構(gòu)成。短路信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)主要由D2、R6、Vl、R4等共同構(gòu)成，快恢復(fù)二極管被應(yīng)用在了其中的D2中，延時(shí)緩降柵壓功能以及短路信號(hào)門限電壓比較功能主要是Al、A2、V5等共同實(shí)現(xiàn)的，延時(shí)封鎖輸入信號(hào)功能主要是由CD4081、V7、LMC555以及V6等實(shí)現(xiàn)的[5]。

2.1 分析正常的工作狀態(tài)

當(dāng)高電平脈沖信號(hào)通過(guò)控制電路送來(lái)時(shí)，V3和光耦6N137可以對(duì)其導(dǎo)通，V2、V1進(jìn)行截止，驅(qū)動(dòng)電路將+l5V的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給IGBT。如果控制電路將低電平脈沖信號(hào)送過(guò)來(lái)，光耦6N137關(guān)斷，V2、V1進(jìn)行導(dǎo)通，V4導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路將-5V的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給IGBT。

2.2 短路故障狀態(tài)分析

當(dāng)短路電流高于設(shè)定值時(shí)，就可以翻轉(zhuǎn)A1，輸出高電平。V5經(jīng)過(guò)2.5μs的延時(shí)能夠獲得導(dǎo)通，從而緩慢的降低B點(diǎn)的位置。此時(shí)會(huì)有不斷下降的柵極驅(qū)動(dòng)電壓出現(xiàn)在IGBT中，從而有效的延長(zhǎng)了IGBT對(duì)短路電流的耐受時(shí)間，而延時(shí)緩降柵壓功能就在這部分電路中實(shí)現(xiàn)了。

在成功的導(dǎo)通了V5之后，就可以截止V6，此時(shí)如果能夠?qū)⒍搪沸盘?hào)進(jìn)行7μs的維持，則可以翻轉(zhuǎn)LMC555翻轉(zhuǎn)，并輸出高電平，從而成功的導(dǎo)通V7。在進(jìn)行輸出信號(hào)封鎖時(shí)可以使用門4081，從而使IGBT的保護(hù)關(guān)斷。如果LMC555在雙穩(wěn)定的工作狀態(tài)下被翻轉(zhuǎn)，就會(huì)將高電平輸出，從而就會(huì)始終封鎖輸入信號(hào)，并使使用者感到強(qiáng)迫作用，并及時(shí)關(guān)機(jī)，采取有效的措施來(lái)排除短路故障。如果在翻轉(zhuǎn)LMC555之前短路故障就已經(jīng)解除了，則B點(diǎn)電位就會(huì)朝著+15V實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)。在關(guān)斷IGBT的情況下Vl會(huì)導(dǎo)通，這樣就使得IGBT導(dǎo)通狀態(tài)與短路保護(hù)電路之間實(shí)現(xiàn)了同步。選擇恢復(fù)二極管為D2主要是為了防止對(duì)IGBT進(jìn)行關(guān)斷時(shí)集電極上的高電壓竄入驅(qū)動(dòng)回路中。

高速電壓比較器LM319在Al、A2中得到了應(yīng)用，這樣就能夠使保護(hù)電路的反應(yīng)速度得以提升；對(duì)VZl的穩(wěn)壓值進(jìn)行調(diào)整能夠?qū)Χ搪冯娏鏖T限值進(jìn)行調(diào)節(jié)；R9和C4是決定降柵壓動(dòng)作的延遲時(shí)間的主要參數(shù)；VZ5和C5是決定輸入信號(hào)的封鎖時(shí)間的主要參數(shù)；對(duì)緩降柵壓斜率進(jìn)行控制的電容器是C3，通過(guò)對(duì)C3參數(shù)的調(diào)整能夠使柵極電壓下降斜率得到有效改善。

目前在新開(kāi)發(fā)的等離子噴涂電源中已經(jīng)成功的運(yùn)用了該電路，其在惡劣的環(huán)境下也具有良好的運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

①該驅(qū)動(dòng)電路具有可靠和簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且具有較小的輸入輸出信號(hào)傳輸延時(shí)，其選擇了-5V以及+15V這兩種方案。②其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)延時(shí)緩降柵壓功能和輸入信號(hào)的封鎖功能，以及短路信號(hào)檢測(cè)功能等，與此同時(shí)，其還可以調(diào)整封鎖輸入信號(hào)延遲時(shí)間、緩降柵壓動(dòng)作延遲時(shí)間以及引起保護(hù)電路動(dòng)作的短路電流門限值。IGBT如果在大電流的情況下就可以配合使用LEM電流傳感器以及短路保護(hù)電路。③該驅(qū)動(dòng)電路需要配備較多的直流電源。

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