IGBT的驅(qū)動(dòng)電路及短路保護(hù)

I.什么是IGBT？

絕緣柵雙極晶體管（以下簡(jiǎn)稱IGBT）是一種復(fù)合半導(dǎo)體器件，融合了MOSFET的快速開(kāi)關(guān)能力、高頻操作、高輸入阻抗、簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路和有利的熱特性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備了GTR的大電流承載能力和高阻擋電壓等優(yōu)勢(shì)。因此，IGBT是一種理想的開(kāi)關(guān)器件，可以替代GTR，廣泛應(yīng)用于各種需要具備關(guān)閉能力的應(yīng)用領(lǐng)域，如各種固態(tài)電源供應(yīng)系統(tǒng)。

然而，對(duì)于IGBT，必須采用合理的驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)椴划?dāng)?shù)目刂瓶赡軐?dǎo)致?lián)p壞，包括由于過(guò)電流而導(dǎo)致的IGBT故障，這可能會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響。因此，本文主要討論了IGBT的驅(qū)動(dòng)和短路保護(hù)，基于對(duì)其工作原理的分析，然后設(shè)計(jì)并模擬了驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)電流保護(hù)。

II.IGBT的驅(qū)動(dòng)要求

IGBT是一種電壓控制型器件，為了確保其安全可靠地開(kāi)啟和關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)電路必須滿足以下條件。值得注意的是，IGBT的柵極電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MOSFET的柵極電容，因此需要適當(dāng)?shù)臇艠O偏壓電壓和柵極串聯(lián)電阻來(lái)增加開(kāi)關(guān)速度。

1.柵極電壓：在開(kāi)啟狀態(tài)下，柵極驅(qū)動(dòng)電壓不能超過(guò)參數(shù)表規(guī)定的限制值（通常為20V），而最佳的柵極正向偏壓電壓為15V±1.5V。這個(gè)電壓水平可以讓IGBT達(dá)到飽和狀態(tài)，從而最小化導(dǎo)通損耗。在關(guān)閉狀態(tài)下，當(dāng)IGBT處于阻斷狀態(tài)時(shí)，可以在柵極和源極之間添加-5~-15V的反向電壓，以減小關(guān)斷時(shí)間，提高IGBT的阻擋能力和抗干擾能力。

2.柵極串聯(lián)電阻（RG）：選擇適當(dāng)?shù)臇艠O串聯(lián)電阻（RG）對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要。RG影響開(kāi)關(guān)損耗，主要與輸入電容充放電的動(dòng)態(tài)電流變化有關(guān)。由于IGBT的輸入阻抗在10^9到10^11之間，因此直流增益可以達(dá)到10^8到10^9，幾乎沒(méi)有任何功耗。根據(jù)電流和電壓額定值以及開(kāi)關(guān)頻率，通常選擇從幾十歐姆到幾百歐姆的適當(dāng)RG值，建議參考設(shè)備手冊(cè)以獲取更具體的RG值。

3.驅(qū)動(dòng)電源的要求：IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程會(huì)消耗來(lái)自驅(qū)動(dòng)電源的一定功率。功耗取決于諸如柵極電壓差、工作頻率、柵極電容和電源的最小峰值電流等參數(shù)。

III.IGBT的過(guò)電流保護(hù)

IGBT的過(guò)電流保護(hù)是為了限制短路電流，將其控制在安全工作范圍內(nèi)，以防止IGBT損壞。當(dāng)上下電極同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓幾乎完全施加在開(kāi)關(guān)上。在這種情況下，高短路電流可能導(dǎo)致器件損壞。

IGBT的過(guò)電流保護(hù)分析

一種包含隔離光耦和過(guò)電流保護(hù)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，如下圖所示。

1.隔離光耦（6N137）：高速隔離光耦6N137確保了輸入和輸出信號(hào)之間的電氣隔離，適用于高頻應(yīng)用。

2.驅(qū)動(dòng)電路：采用推挽輸出配置，主要驅(qū)動(dòng)電路降低輸出阻抗，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力，適用于高功率IGBT的驅(qū)動(dòng)。

3.過(guò)電流保護(hù)：過(guò)電流保護(hù)電路依賴于集電極飽和。當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，IGBT被關(guān)閉。此保護(hù)機(jī)制涉及到組件，如V1、V3、V4、D1、R6、R7和V2，它們共同檢測(cè)和響應(yīng)過(guò)電流條件。

額外的雙向電壓穩(wěn)壓器（D3和D4）用于保護(hù)電源器件免受靜電放電。

IV.模擬和實(shí)驗(yàn)

高電平（15V）和低電平（-5V）方波信號(hào)被應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)電路的輸入。IGBT的輸出波形如下圖所示。

總之，所提出的IGBT驅(qū)動(dòng)電路確保為IGBT提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電壓（-5V和+15V），以確保IGBT的順暢開(kāi)關(guān)。該電路包含過(guò)電流保護(hù)機(jī)制，以防止IGBT在過(guò)電流事件中損壞。它具備多功能性、根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整最大電流的能力，以及通過(guò)采用離散元件降低整個(gè)系統(tǒng)成本的特點(diǎn)，使其成為各種應(yīng)用的理想選擇。