IGBT驱动及短路保护电路研究

仵岳

摘要：本文对IGBT的短路保护电路进行了讨论，并且对IGBT的驱动电路的基本要求进行了介绍。随后笔者以IGBT集电极退饱和原理为根据将一个短路保护功能比较齐全的IGBT驱动电路提了出来。该电路具有可靠性高、实用以及简单的特点，目前在新开发的等离子喷涂电源中已经成功的运用了该电路，其在恶劣的环境下也具有良好的运行状态。

关键词：短路保护 驱动电路 IGBT

ICBT是一种具有良好的综合性能的功率开关器件，因此被广泛的应用在了各种变流装置中。由于以往的设计者往往只是对缓冲电路和主回路的设计比较关注，而将其短路保护电路以及IGBT驱动忽视了，这样就导致整机的可靠性在很大程度上受到了这些问题的影响。为了能够有效的解决上述的问题，本文论述了如何对短路保护电路和IGBT驱动进行选择和设计，笔者在此IGBT的驱动电路进行了分析，并对其短路保护功能进行了优化。

1 IGBT在保护和驱动电路方面的要求

1.1 IGBT及其dν/dt保护和短路保护分析

①IGBT的dν/dt保护主要指的是在如果具有过高的集射极间电压变化率，也就是具有较高的dν/dt，就有可能会导致出现IGBT发生动态锁定效应，在严重的情况下还会将IGBT击穿。不仅如此，因为级间等效电容的存在，如果dν/dt过大还会对IGBT造成进一步的影响，致使器件误导通的现象出现。针对这种情况可以使用缓慢降低栅极电压的方式以及对关断缓冲电路进行合理的设计，就能够使dν/dt得到有效降低[1]。②当短路发生时，在IGBT的还没有出现实质性损坏时就对其进行保护关断，就是所谓的IGBT的短路保护。同时在IGBT的短路安全工作区内对I一V在保护关断时的运行轨迹和短路电流进行限制。除了会导致产生热失效之外，器件的锁定效应和电压击穿等现象也与短路电流有着密切的关系。其主要原因在于IGBT的内部存在寄生晶闸管结构，当大于擎住电流的短路电流出现时，IGBT就会出现锁定效应，并丧失了栅控关断能力。采用对短路电流的幅值进行限制的方式就能够对锁定效应的发生起到有效的预防作用。

1.2 IGBT对驱动电路的基本要求分析

IGBT属于一种功率开关器件，因此整机的性能在很大程度上受到了IGBT的工作状态的影响。因此对合理的驱动电路进行选择或者设计就具有十分重要的作用，一般来说，理想的驱动电路必须要保证具备以下几项功能[2]。

①驱动电路必须要将正反向栅极电压VGE提供给IGBT。器件VCES会随着正向VGE的增高而逐渐的降低，这样对器件的通态损耗就会越为有利。然而为了能够对短路电流的幅值起到有效的限制作用，一般需要在20V的范围内对VGE进行控制[3]。②驱动电路必须能够有效的隔离输出和输入信号，而且对驱动电路内部的信号传输的延时进行控制，最好能够达到无延时[4]。③理想的驱动电路在出现过流故障或者短路故障的时候必须要具备短路保护的功能。

2 IGBT驱动和电路保护的措施

笔者以电路保护方案和IGBT驱动为基础，设计了IGBT驱动电路，其具有比较齐全的短路保护功能，具体情况见图1。

图1 IGBT驱动及短路保护电路方案

对输出和输入信号进行隔离的任务可以由其高速光藕6N137来完成，只有75ns的信号传输延时，因此在高频应用场合特别适用。动脉冲功率放大环节主要由V2、V3、V4共同构成。短路信号检测环节主要由D2、R6、Vl、R4等共同构成，快恢复二极管被应用在了其中的D2中，延时缓降栅压功能以及短路信号门限电压比较功能主要是Al、A2、V5等共同实现的，延时封锁输入信号功能主要是由CD4081、V7、LMC555以及V6等实现的[5]。

2.1 分析正常的工作状态

当高电平脉冲信号通过控制电路送来时，V3和光耦6N137可以对其导通，V2、V1进行截止，驱动电路将+l5V的栅极驱动信号提供给IGBT。如果控制电路将低电平脉冲信号送过来，光耦6N137关断，V2、V1进行导通，V4导通，驱动电路将-5V的栅极驱动信号提供给IGBT。

2.2 短路故障状态分析

当短路电流高于设定值时，就可以翻转A1，输出高电平。V5经过2.5μs的延时能够获得导通，从而缓慢的降低B点的位置。此时会有不断下降的栅极驱动电压出现在IGBT中，从而有效的延长了IGBT对短路电流的耐受时间，而延时缓降栅压功能就在这部分电路中实现了。

在成功的导通了V5之后，就可以截止V6，此时如果能够将短路信号进行7μs的维持，则可以翻转LMC555翻转，并输出高电平，从而成功的导通V7。在进行输出信号封锁时可以使用门4081，从而使IGBT的保护关断。如果LMC555在双稳定的工作状态下被翻转，就会将高电平输出，从而就会始终封锁输入信号，并使使用者感到强迫作用，并及时关机，采取有效的措施来排除短路故障。如果在翻转LMC555之前短路故障就已经解除了，则B点电位就会朝着+15V实现自动恢复。在关断IGBT的情况下Vl会导通，这样就使得IGBT导通状态与短路保护电路之间实现了同步。选择恢复二极管为D2主要是为了防止对IGBT进行关断时集电极上的高电压窜入驱动回路中。

高速电压比较器LM319在Al、A2中得到了应用，这样就能够使保护电路的反应速度得以提升；对VZl的稳压值进行调整能够对短路电流門限值进行调节；R9和C4是决定降栅压动作的延迟时间的主要参数；VZ5和C5是决定输入信号的封锁时间的主要参数；对缓降栅压斜率进行控制的电容器是C3，通过对C3参数的调整能够使栅极电压下降斜率得到有效改善。

目前在新开发的等离子喷涂电源中已经成功的运用了该电路，其在恶劣的环境下也具有良好的运行状态。

3 结语

①该驱动电路具有可靠和简单的特点，而且具有较小的输入输出信号传输延时，其选择了-5V以及+15V这两种方案。②其优点在于能够实现延时缓降栅压功能和输入信号的封锁功能，以及短路信号检测功能等，与此同时，其还可以调整封锁输入信号延迟时间、缓降栅压动作延迟时间以及引起保护电路动作的短路电流门限值。IGBT如果在大电流的情况下就可以配合使用LEM电流传感器以及短路保护电路。③该驱动电路需要配备较多的直流电源。

参考文献：

[1]姚文海，程善美，孙得金.大功率IGBT模块软关断短路保护策略[J].电气传动，2014（09）.

[2]陈永真.IGBT短路保护的控制策略分析[J].电气传动，2010（08）.

[3]刘革菊.二代大功率IGBT短路保护和有源钳位电路设计[J]. 山西电子技术，2013（01）.

[4]尹华，刘锐.PWM型DC/DC变换器过流/短路保护电路的设计[J].微电子学，2008（01）.

[5]余琳，黄康，王海军，王剑平，盖玲.绝缘栅双极晶体管串联关键技术[J].强激光与粒子束，2013（05）.