一 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(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,。
二 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安全可靠地開通和關(guān)斷．其驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓都不能超過(guò)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(gè)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?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)．可在門極與源極之間加一個(gè)-5~-15v的反向電壓,。
?。?）門極串聯(lián)電阻心
選擇合適的門極串聯(lián)電阻Rg對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要,，Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響見圖1。
圖1 Rg對(duì)開關(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IGBT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),。
?。?）驅(qū)動(dòng)功率的要求
IGBT的開關(guān)過(guò)程要消耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源的平均功率為：
一 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(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,。
二 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安全可靠地開通和關(guān)斷．其驅(qū)動(dòng)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。
?。?）門極電壓
任何情況下,，開通狀態(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），最佳門極正向偏置電壓為15v土10％,。這個(gè)值足夠令I(lǐng)GBT飽和導(dǎo)通；使導(dǎo)通損耗減至最小,。雖然門極電壓為零就可使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)．可在門極與源極之間加一個(gè)-5~-15v的反向電壓。
?。?）門極串聯(lián)電阻心
選擇合適的門極串聯(lián)電阻Rg對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)相當(dāng)重要,，Rg對(duì)開關(guān)損耗的影響見圖1。
圖1 Rg對(duì)開關(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IGBT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),。
?。?）驅(qū)動(dòng)功率的要求
IGBT的開關(guān)過(guò)程要消耗一定的來(lái)自驅(qū)動(dòng)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(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的短路安全工作區(qū),，用在損壞器件之前，將IGBT關(guān)斷來(lái)避免開關(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,，減少了功率管的開通和關(guān)斷時(shí)間,。利用集電極退飽和原理，D1,、R6,、R7和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)開啟電壓，使IGBT開通,。
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
?。?）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的開通和關(guān)斷。
?。?）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。
?。?）本電路的可根據(jù)負(fù)載的需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)最大電流,，可以有很廣的使用范圍。
?。?）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。