IGBT的一种驱动和过流保护电路的设计
一 引言
绝缘栅双极晶体管（insulated gate bipolar tramistor，igbt）是mosfet与gtr的复合器件，因此，它既具有mosfet的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又包含了gtr的载流量大、阻断电压高等多项优点．是取代gtr的理想开关器件。igbt目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，广泛应用于各类固态电源中。igbt的工作状态直接影响整机的性能，所以合理的驱动电路对整机显得很重要，但是如果控制不当，它很容易损坏，其中一种就是发生过流而使igbt损坏，本文主要研究了igbt的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路，并进行了仿真研究。
二 igbt的驱动要求和过流保护分析
1 igbt的驱动
igbt是电压型控制器件，为了能使igbt安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：
igbt的栅电容比vmosfet大得多，所以要提高其开关速度，就要有合适的门极正反向偏置电压和门极串联电阻。
（1）门极电压
任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20v），最佳门极正向偏置电压为15v土10％。这个值足够令igbt饱和导通；使导通损耗减至最小。虽然门极电压为零就可使igbt处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高igbt的耐压、dv／dt耐量和抗干扰能力，一般在使igbt处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。
（2）门极串联电阻心
选择合适的门极串联电阻rg对igbt的驱动相当重要，rg对开关损耗的影响见图1。
图1 rg对开关损耗的影响
igbt的输入阻抗高压达109~1011，静态时不需要直流电流．只需要对输入电容进行充放电的动态电流。其直流增益可达108~109，几乎不消耗功率。为了改善控制脉冲的前后沿陡度和防止振荡，减少igbt集电极大的电压尖脉冲，需在栅极串联电阻rg，当rg增大时，会使igbt的通断时间延长，能耗增加；而减少rf又会使di／dt增高，可能损坏igbt。因此应根据igbt电流容量和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的rg，一般选心值为几十欧姆至几百欧姆。具体选择rg时．要参考器件的使用手册。
（3）驱动功率的要求
igbt的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗，门极正反向偏置电压之差为△vge，工作频率为f，栅极电容为cge，则电源的最少峰值电流为：
驱动电源的平均功率为：
2 igbt的过流保护
igbt的过流保护就是当上、下桥臂直通时，电源电压几乎全加在了开关管两端，此时将产生很大的短路电流，igbt饱和压降越小，其电流就会越大，从而损坏器件。当器件发生过流时，将短路电流及其关断时的i—v运行轨迹限制在igbt的短路安全工作区，用在损坏器件之前，将igbt关断来避免开关管的损坏。
3 igbt的驱动和过流保护电路分析
根据以上的分析．本设计提出了一个具有过流保护功能的光耦隔离的igbt驱动电路，如图2。
图2 igbt驱动和过流保护电路
图2中，高速光耦6n137实现输入输出信号的电气隔离，能够达到很好的电气隔离，适合高频应用场合。驱动主电路采用推挽输出方式，有效地降低了驱动电路的输出阻抗，提高了驱动能力，使之适合于大功率igbt的驱动，过流保护电路运用退集电极饱和原理，在发生过流时及时的关断igbt，其中v1．v3．v4构成驱动脉冲放大电路。v1和r5构成一个射极跟随器，该射极跟随器提供了一个快速的电流源，减少了功率管的开通和关断时间。利用集电极退饱和原理，d1、r6、r7和v2构成短路信号检测电路．其中d1采用快速恢复二极管，为了防止igbt关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器件误导通，在栅源之间并接双向稳压管d3和d4。如是igbt的门极串联电阻。
正常工作时：
当控制电路送来高电平信号时，光耦6n137导通，v1、v2截止，v3导通而v4截止，该驱动电路向ibgt提供+15v的驱动开启电压，使igbt开通。
当控制电路送来低电平信号时，光耦6n137截至，vi、v2导通。v4导通而v3截止，该驱动电路向ibgt提供-5v的电压，使igbt关闭。
当过流时：
当电路出现短路故障时，上、下桥直通此时+15v的电压几乎全加在igbt上．产生很大的电流，此时在短路信号检测电路中v2截止，a点的电位取决于d1、r6、r7和vces的分压决定，当主电路正常工作时，且igbt导通时，a点保持低电平，从而低于b点电位。所有a1输出低电平，此时v5截止，而c点为高电平，所以正常工作时。输入到光耦6n137的信号始终和输出保持一致。当发生过流时，igbt集电极退饱和，a点电位升高，当高于b电位（即是所设置的电位）时，即是当电流超过设计定值时，a1翻转而输出高电平，v5导通，从而将c点的电位箝在低电位状态，使与门4081始终输出低电平，即无论控制电路送来是高电平或是低电平，输人到光耦6n137的信号始终都是低电平，从而关断功率管。从而达到过流保护。直到将电路的故障排除后，重新启动电路。
4 仿真与实验
本设计电路在orcad软件的仿真图形如下：
向驱动电路输入，高电平为+15v，低电平为-5v的方波信号。igbt的输出波形如图3所示：
图3 igbt输出信号
根据前面的原理和分析，该电路的实际电路输出波形如图4所示：
图4实际电路输出波形
5 结论
（1）该驱动电路能够为igbt提供+15v和-5v驱动电压确保igbt的开通和关断。
（2）具有过流保护功能，当过流时，保护电路起作用，及时的关断igbt，防止igbt损坏。
（3）本电路的可根据负载的需要动态调节最大电流，可以有很广的使用范围。
（4）本设计采用分立元件组成驱动电路，降低整个系统的成本。
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1 igbt的驱动
igbt是电压型控制器件，为了能使igbt安全可靠地开通和关断．其驱动电路必须满足以下的条件：
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（1）门极电压
任何情况下，开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值（一般为20v），最佳门极正向偏置电压为15v土10％。这个值足够令igbt饱和导通；使导通损耗减至最小。虽然门极电压为零就可使igbt处于截止状态，但是为了减小关断时间，提高igbt的耐压、dv／dt耐量和抗干扰能力，一般在使igbt处于阻断状态时．可在门极与源极之间加一个-5~-15v的反向电压。
（2）门极串联电阻心
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图1 rg对开关损耗的影响
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igbt的开关过程要消耗一定的来自驱动电源的功耗，门极正反向偏置电压之差为△vge，工作频率为f，栅极电容为cge，则电源的最少峰值电流为：
驱动电源的平均功率为：
2 igbt的过流保护
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根据以上的分析．本设计提出了一个具有过流保护功能的光耦隔离的igbt驱动电路，如图2。
图2 igbt驱动和过流保护电路
图2中，高速光耦6n137实现输入输出信号的电气隔离，能够达到很好的电气隔离，适合高频应用场合。驱动主电路采用推挽输出方式，有效地降低了驱动电路的输出阻抗，提高了驱动能力，使之适合于大功率igbt的驱动，过流保护电路运用退集电极饱和原理，在发生过流时及时的关断igbt，其中v1．v3．v4构成驱动脉冲放大电路。v1和r5构成一个射极跟随器，该射极跟随器提供了一个快速的电流源，减少了功率管的开通和关断时间。利用集电极退饱和原理，d1、r6、r7和v2构成短路信号检测电路．其中d1采用快速恢复二极管，为了防止igbt关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器件误导通，在栅源之间并接双向稳压管d3和d4。如是igbt的门极串联电阻。
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（2）具有过流保护功能，当过流时，保护电路起作用，及时的关断igbt，防止igbt损坏。
（3）本电路的可根据负载的需要动态调节最大电流，可以有很广的使用范围。
（4）本设计采用分立元件组成驱动电路，降低整个系统的成本。
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