1 引言
絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Tramistor,，IGBT" title="IGBT">IGBT)是MOSFET與GTR的復(fù)合器件,，因此，它既具有MOSFET的工作速度快,、開關(guān)頻率高,、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單,、熱溫度性好的優(yōu)點,，又包含了GTR的載流量大、阻斷電壓高等多項優(yōu)點．是取代GTR的理想開關(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)用于各類固態(tài)電源中。IGBT的工作狀態(tài)直接影響整機的性能,，所以合理的驅(qū)動電路對整機顯得很重要,，但是如果控制不當，它很容易損壞,，其中一種就是發(fā)生過流而使IGBT損壞,，本文主要研究了IGBT的驅(qū)動和短路保護問題，就其工作原理進行分析,，設(shè)計出具有過流保護" title="過流保護">過流保護功能的驅(qū)動電路,，并進行了仿真研究。
2 IGBT的驅(qū)動要求和過流保護分析
1 IGBT的驅(qū)動
IGBT是電壓型控制器件,，為了能使IGBT安全可靠地開通和關(guān)斷．其驅(qū)動電路必須滿足以下的條件：
IGBT的柵電容比VMOSFET大得多，所以要提高其開關(guān)速度,，就要有合適的門極正反向偏置電壓和門極串聯(lián)電阻,。
(1)門極電壓
任何情況下，開通狀態(tài)的柵極驅(qū)動電壓都不能超過參數(shù)表給出的限定值(一般為20v),，最佳門極正向偏置電壓為15v土10％,。這個值足夠令I(lǐng)GBT飽和導(dǎo)通；使導(dǎo)通損耗減至最小,。雖然門極電壓為零就可使IGBT處于截止狀態(tài),，但是為了減小關(guān)斷時間,，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．可在門極與源極之間加一個-5~-15v的反向電壓,。
(2)門極串聯(lián)電阻心
選擇合適的門極串聯(lián)電阻Rg對IGBT的驅(qū)動相當重要，Rg對開關(guān)損耗的影響見圖1,。
圖1 Rg對開關(guān)損耗的影響
IGBT的輸入阻抗高壓達109~1011,，靜態(tài)時不需要直流電流．只需要對輸入電容進行充放電的動態(tài)電流。其直流增益可達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IGBT集電極大的電壓尖脈沖,，需在柵極串聯(lián)電阻Rg,，當Rg增大時，會使IGBT的通斷時間延長,，能耗增加,；而減少Rf又會使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．要參考器件的使用手冊,。
(3)驅(qū)動功率的要求
IGBT的開關(guān)過程要消耗一定的來自驅(qū)動電源的功耗，門極正反向偏置電壓之差為△Vge,，工作頻率為f,，柵極電容為Cge，則電源的最少峰值電流為:
驅(qū)動電源的平均功率為:
2 IGBT的過流保護
IGBT的過流保護就是當上,、下橋臂直通時,，電源電壓幾乎全加在了開關(guān)管兩端，此時將產(chǎn)生很大的短路電流,，IGBT飽和壓降越小,，其電流就會越大，從而損壞器件,。當器件發(fā)生過流時,，將短路電流及其關(guān)斷時的I—V運行軌跡限制在IGBT的短路安全工作區(qū)，用在損壞器件之前,，將IGBT關(guān)斷來避免開關(guān)管的損壞,。
3 IGBT的驅(qū)動和過流保護電路分析
根據(jù)以上的分析．本設(shè)計提出了一個具有過流保護功能的光耦隔離的IGBT驅(qū)動電路，如圖2,。
圖2 IGBT驅(qū)動和過流保護電路
圖2中,，高速光耦6N137實現(xiàn)輸入輸出信號的電氣隔離,，能夠達到很好的電氣隔離，適合高頻應(yīng)用場合,。驅(qū)動主電路采用推挽輸出方式,，有效地降低了驅(qū)動電路的輸出阻抗，提高了驅(qū)動能力,，使之適合于大功率IGBT的驅(qū)動,，過流保護電路運用退集電極飽和原理，在發(fā)生過流時及時的關(guān)斷IGBT,，其中V1．V3．V4構(gòu)成驅(qū)動脈沖放大電路,。V1和R5構(gòu)成一個射極跟隨器，該射極跟隨器提供了一個快速的電流源,，減少了功率管的開通和關(guān)斷時間,。利用集電極退飽和原理，D1,、R6,、R7和V2構(gòu)成短路信號檢測電路．其中D1采用快速恢復(fù)二極管，為了防止IGBT關(guān)斷時其集電極上的高電壓竄入驅(qū)動電路,。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的門極串聯(lián)電阻,。
正常工作時：
當控制電路送來高電平信號時,，光耦6N137導(dǎo)通，V1,、V2截止,，V3導(dǎo)通而V4截止，該驅(qū)動電路向IBGT提供+15V的驅(qū)動開啟電壓,，使IGBT開通,。
當控制電路送來低電平信號時，光耦6N137截至,，VI,、V2導(dǎo)通。V4導(dǎo)通而v3截止,，該驅(qū)動電路向IBGT提供-5v的電壓,，使IGBT關(guān)閉。
當過流時：
當電路出現(xiàn)短路故障時,，上、下橋直通此時+15V的電壓幾乎全加在IGBT上．產(chǎn)生很大的電流,，此時在短路信號檢測電路中v2截止,，A點的電位取決于D1,、R6、R7和Vces的分壓決定,，當主電路正常工作時,，且IGBT導(dǎo)通時，A點保持低電平,，從而低于B點電位,。所有A1輸出低電平，此時V5截止,，而c點為高電平,，所以正常工作時。輸入到光耦6N137的信號始終和輸出保持一致,。當發(fā)生過流時,，IGBT集電極退飽和，A點電位升高,，當高于B電位(即是所設(shè)置的電位)時,，即是當電流超過設(shè)計定值時，A1翻轉(zhuǎn)而輸出高電平,，V5導(dǎo)通,，從而將C點的電位箝在低電位狀態(tài)，使與門4081始終輸出低電平,，即無論控制電路送來是高電平或是低電平,，輸人到光耦6N137的信號始終都是低電平，從而關(guān)斷功率管,。從而達到過流保護,。直到將電路的故障排除后，重新啟動電路,。
4 仿真與實驗
本設(shè)計電路在orCAD" title="orCAD">orCAD軟件的仿真圖形如下：
向驅(qū)動電路輸入,，高電平為+15v，低電平為-5v的方波信號,。IGBT的輸出波形如圖3所示：
圖3 IGBT輸出信號
根據(jù)前面的原理和分析,，該電路的實際電路輸出波形如圖4所示：
圖4實際電路輸出波形
5 結(jié)論
(1)該驅(qū)動電路能夠為IGBT提供+15v和-5V驅(qū)動電壓確保IGBT的開通和關(guān)斷。
(2)具有過流保護功能,，當過流時,，保護電路起作用，及時的關(guān)斷IGBT,，防止IGBT損壞,。
(3)本電路的可根據(jù)負載的需要動態(tài)調(diào)節(jié)最大電流，可以有很廣的使用范圍。
(4)本設(shè)計采用分立元件組成驅(qū)動電路,，降低整個系統(tǒng)的成本,。
本文作者創(chuàng)新點：采用分立元件組成具有過流保護功能的驅(qū)動電路，降低整個系統(tǒng)的成本,。根據(jù)負載的需要動態(tài)調(diào)節(jié)最大電流,，可以有很廣的使用范圍。