IGBT的驱动电路及短路保护

I.什么是IGBT？

绝缘栅双极晶体管（以下简称IGBT）是一种复合半导体器件，融合了MOSFET的快速开关能力、高频操作、高输入阻抗、简单的驱动电路和有利的热特性等优点，同时还具备了GTR的大电流承载能力和高阻挡电压等优势。因此，IGBT是一种理想的开关器件，可以替代GTR，广泛应用于各种需要具备关闭能力的应用领域，如各种固态电源供应系统。

然而，对于IGBT，必须采用合理的驱动电路，因为不当的控制可能导致损坏，包括由于过电流而导致的IGBT故障，这可能会对整个系统的性能产生不利影响。因此，本文主要讨论了IGBT的驱动和短路保护，基于对其工作原理的分析，然后设计并模拟了驱动电路的过电流保护。

II.IGBT的驱动要求

IGBT是一种电压控制型器件，为了确保其安全可靠地开启和关闭，驱动电路必须满足以下条件。值得注意的是，IGBT的栅极电容远远大于MOSFET的栅极电容，因此需要适当的栅极偏压电压和栅极串联电阻来增加开关速度。

1.栅极电压：在开启状态下，栅极驱动电压不能超过参数表规定的限制值（通常为20V），而最佳的栅极正向偏压电压为15V±1.5V。这个电压水平可以让IGBT达到饱和状态，从而最小化导通损耗。在关闭状态下，当IGBT处于阻断状态时，可以在栅极和源极之间添加-5~-15V的反向电压，以减小关断时间，提高IGBT的阻挡能力和抗干扰能力。

2.栅极串联电阻（RG）：选择适当的栅极串联电阻（RG）对IGBT的驱动至关重要。RG影响开关损耗，主要与输入电容充放电的动态电流变化有关。由于IGBT的输入阻抗在10^9到10^11之间，因此直流增益可以达到10^8到10^9，几乎没有任何功耗。根据电流和电压额定值以及开关频率，通常选择从几十欧姆到几百欧姆的适当RG值，建议参考设备手册以获取更具体的RG值。

3.驱动电源的要求：IGBT的开关过程会消耗来自驱动电源的一定功率。功耗取决于诸如栅极电压差、工作频率、栅极电容和电源的最小峰值电流等参数。

III.IGBT的过电流保护

IGBT的过电流保护是为了限制短路电流，将其控制在安全工作范围内，以防止IGBT损坏。当上下电极同时导通时，电源电压几乎完全施加在开关上。在这种情况下，高短路电流可能导致器件损坏。

IGBT的过电流保护分析

一种包含隔离光耦和过电流保护的IGBT驱动电路，如下图所示。

1.隔离光耦（6N137）：高速隔离光耦6N137确保了输入和输出信号之间的电气隔离，适用于高频应用。

2.驱动电路：采用推挽输出配置，主要驱动电路降低输出阻抗，增强了驱动能力，适用于高功率IGBT的驱动。

3.过电流保护：过电流保护电路依赖于集电极饱和。当发生过电流时，IGBT被关闭。此保护机制涉及到组件，如V1、V3、V4、D1、R6、R7和V2，它们共同检测和响应过电流条件。

额外的双向电压稳压器（D3和D4）用于保护电源器件免受静电放电。

IV.模拟和实验

高电平（15V）和低电平（-5V）方波信号被应用为驱动电路的输入。IGBT的输出波形如下图所示。

总之，所提出的IGBT驱动电路确保为IGBT提供适当的驱动电压（-5V和+15V），以确保IGBT的顺畅开关。该电路包含过电流保护机制，以防止IGBT在过电流事件中损坏。它具备多功能性、根据负载动态调整最大电流的能力，以及通过采用离散元件降低整个系统成本的特点，使其成为各种应用的理想选择。