1  引言   （欢迎来电咨询 网址：//www.appwarp.com   |电话：15515598858）
    IGBT集功率MOSFET和双极型功率晶体管的优点于一体，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通
断速度快且通态压降低，易高压大电流等特点。
    在IGBT的应用中，驱动和保护一直都是研究的关键技术，特别是过流保护方面。IGBT器件本身以及它 在电路中运行条件的特点，决定了其过流保护和其他开关器件相比有很大的差别。IGBT的过流保护电路直接关系到整个系统的工作性能和运行安全。
2  IGBT驱动电路 
2.1  IGBT的开关特性

 由图1所示IGBT的等效电路和器件的内部结构可知，IGBT的开关控制是通过和MOSFET类似的栅极结构来完成的，因此IGBT和MOSFET的开关过程大致相似。图2为IGBT硬开关时VGE、ICE和VCE的波型。开通时，当VGE达到开通门限后，到t2时间，ICE达到比较大值，VCE下降过程中，由于和MOSFET一样的密勒电容CGC的作用，栅极电压基本恒定，延缓了IGBT的开通过程，当VCE下降结束，ICE达到稳态值，CGC作用消失，VGE以较快的上升率达到比较大值。为了降低此效应，应该使栅极驱动源的内阻足够小，增加流经CGC的电流，加快开通速度。
    关断时，同样由于密勒电容的效应，当VCE上升的过程中，VGE有一段近似恒定的时间，影响关断的过程。另外，由于IGBT是双极性器件，在关断过程中有一个少子复合过程，造成关断时的拖尾电流，这是IGBT和MOSFET开关比较大的不同点，如图2所示，这也是影响IGBT工作频率的比较主要原因。
2.2 IGBT驱动电路的要求
2.2.1   开通正栅压   （欢迎来电咨询 网址：//www.appwarp.com   |电话：15515598858）
    IGBT静态特性曲线所示，IGBT正栅压VGE越大，导通电阻越低，损耗越小。但是，如果VGE过大，一但IGBT过流，会造成内部寄生晶闸管的静态擎柱效应，造成IGBT失效。相反如果VGE过小，可能会使IGBT的工作点落入线性放大区，比较终导致器件的过热损坏，比较理想的IGBT驱动电压范围是12V。
2.2.2   关断栅压选择
    IGBT的关断过程可能会承受很大的dv/dt，伴随关断浪涌电流，干扰栅极的关断电压，可能造成器件的误开通。为提高驱动电路的抗干扰能力，在关断时栅极加适当的负偏压，一般取为-10V。
2.2.3   栅极串联电阻Rg的选择
    从IGBT的开关特性的分析可以看出，Rg直接影响IGBT的工作情况。为提高开关频率，Rg取值应该尽量小。但如果Rg取值过小，会导致栅射极之间的充放电时间常数小，开通瞬间电流较大，从而损坏IGBT；而若Rg取值过大，虽然在抑制dv/dt方面很有效果，但增加了IGBT的开关时间和开关损耗，严重影响IGBT的性能和工作状态。Rg的取值大概是十几欧到几百欧之间，具体的值应该根据应用的实际情况选取比较佳值。
3  驱动电路的保护
3.1  过流保护
3.1.1   过电流损坏原因
    IGBT内部有寄生晶闸管，在规定漏极电流范围内，其产生的正偏压不足以使晶体管导通，当漏极电流大到一定程度，正偏压足以使晶体管导通，近而使寄生晶闸管开通，栅极失去控制，发生擎柱效应。此时关断无效，集电极电流很大致使IGBT损坏。当电流还未达到擎柱效应所需电流大小时，如果IGBT运行指标超过SOA所限定的电流安全边界，也就工作在了过流状态下，长时间过流运行造成很高的功耗，损坏器件。当比较严重的过流情况，短路发生时，电流很快达到额定电流的4-5倍，此时必须尽快关断器件，否则器件将很快损坏。  （欢迎来电咨询 网址：//www.appwarp.com   |电话：15515598858）
3.1.3 过电流的处理
    根据IGBT的静态特性，当发生过流时，VCE会随电流急剧变大，可以通过检测VCE的大小来判断是否过流。当检测到过流发生时，首先采取降栅压措施，从图3的静态特性曲线可知，栅压降低以后，电流显著减小。这样一方面可以保护器件，另一方面如果确定是短路需要关闭器件时，不用在相当大电流的基础上执行关断，反而引入di/dt的问题。当降栅压运行一段时间后（一般是10 ），如果电流恢复正常，可以再加上正常的栅压。这样可以有效避免假过流造成的误保护。但如果电流仍然处于过流的状态，可以判断是短路故障，应该马上对IGBT进行关断。此时绝对不能快速关断，因为短路时电流非常大，直接关断会在线路寄生电感上产生很大的电

压，进而损坏器件。此时应该保证电流变化率不会过大，让栅极电压缓慢降低关断器件。
3.2  栅极过压的保护
3.2.1 栅极过压原因
    IGBT大多是工作于感性负载状态，当其处于关断状态，而反并二极管正在反向恢复过程时，就会有很大的dv/dt加
于CE两端。由于密勒电容的存在，该dv/dt将在电容上产生瞬间电流，流向栅极驱动电路。该电流与Rg作用，如果Rg值偏大，使Vge超过IGBT开通门限电压值，器件就会被误触发导通。
3.3.2 栅极过压的处理
    在栅射间并接入一个栅射电阻可以解决这个问题。另外，为了防止栅极驱动电路出现高压尖峰，我们在栅射间并接两只反向串联的稳压二极管，其稳压值与正栅压和负栅压相同。这样可以保证栅射电压的稳定，并且能有效地将密勒电容产生的电流通过栅射电阻释放，达到栅极过压保护的目的。
4  电路设计
4.1 电路说明
  
                         
    驱动电路如图4所示，整个驱动端电路采用6N137光耦隔离，单电源供电，通过一个5V的稳压管D5完成0V和-5V之间的转换，用一个电源实现了正负电源的功能。D6、D7、R2构成栅极过压保护电路。重要的元件如图中编号所示。D3、D4是快恢二极管，D1、D2是稳压值不同的齐纳稳压管。
4.1.1   正常工作时
    驱动信号通过光耦送入驱动电路，通过RS触发器的置位引脚启动电路。开通时，两个过流保护的延时电路电容C1、C2开始充电，此时推挽电路也将Vg提高到正栅压，IGBT导通，VCE很快下降为导通压降，当C1、C2电压高于VCE时，D3、D4导通，C1、C2电压被钳位，不再上升，也就不会将D1、D2击穿，电路正常工作。关断时， C3已经被充电，与C3串联的二极管截止，推挽电路输出低电平，由于D5的原因，栅压变为-5V，将IGBT关断。
    正常工作时比较重要的是C1、C2及其充电电阻的选择，时间常数不能太小，否则会在IGBT开通前将D1、D2击穿进入过流保护状态。也不能过大，否则在过流时会因为动作时间过长而损坏器件。
4.1.2   过流降栅压运行
    一但IGBT过流，VCE急剧上升，超过了C1、C2的钳位电压，D3、D4反向阻断，C1、C2开始充电，当C1的电压高于了D1的击穿电压（D1击穿电压低于D2）时，D1反向击穿，T1导通，与T1串联的稳压管投入电路工作，将此时的栅压降低，实现降压运行。
4.1.3   短路缓慢关断
    控制C2电压上升和D2的击穿电压之间的关系，调整D1、D2相继击穿的时间差约为10 ，如果10 内电流恢复正常，那VCE会再降低，D3又导通，C1、C2电压钳位到低电平。恢复正常工作。而如果是短路发生，C2的电压会持续上升，直至击穿D2，导通T2，C3马上通过R1和T2放电，栅压开始缓慢降低，降低的速率由C3和R1的时间常数决定，当C3的电压降低到低电平时，改变RS触发器状态，将6N137封锁，输出低电平，完全关断IGBT，从而实现了短路时栅极电压的缓慢降低，缓慢关断了IGBT。
    这个过程中比较关键是两个保护电路的延时电路参数的选取。具体IGBT的保护时间设置有很多选择，可以改变电阻电容的组合，也可以改变稳压管的击穿电压，通过实验能得到很好的效果，以满足不同IGBT使用的需要。  （欢迎来电咨询 网址：//www.appwarp.com   |电话：15515598858）
4.2  短路保护实验
                           
                          

    试验电路如图5所示，先将电容充电，然后启动驱动电路，可以观察短路保护时的波型如图6所示。其中1是栅极电压波型，2是VCE波型，3、4分别是RS触发器两个输出的波型。
    从图中可见，向驱动电路发出启动信号后，RS触发器输出反向，栅极电压上升到开通电压，而VCE由于电容通过IGBT放电，电压猛降，此时，IGBT中流过的电流相当大，处于过流的状态，经过大概10 的时间，保护电路开始作用，IGBT进入降压运行阶段，从图中看出，此时从IGBT流过的电流已经明显减小，从电阻流入的电流已经将电容的电压又补充回去，但此时的电流仍然很大，故再经过大约10 的时间，电路进入关断阶段，栅极电压开始以一定的斜率下降，趋势很平缓，当栅极电压降到逻辑低的电压值时，触发器状态变化，驱动电路封锁，如图，此时如果要重新开启电路，需要再给出启动信号。从短路测试中可以看出，该电路能够有效地在过流的时候完成降压运行和缓慢关断的任务，为IGBT的正常工作提供保障。
5  结语
    该驱动电路具有隔离驱动，过流保护，过栅压保护等特点。如果希望电路能正常工作，重要元件的参数需要认真选择，特别是Rg值的选取，在电路上可对Rg部分进行改进，利用二极管分别在开通和关断时得到不同Rg值。另外，该驱动电路只能对过流和栅极过压起保护作用，对VCE的过压保护需要在主电路中加入缓冲保护电路，才能保证器件的可靠工作。
    目前该电路结合DSP控制芯片在逆变装置中表现得非常出色，证明
了电路的简单、有效，是驱动IGBT的一个的比较好的选择。郑州变频器  专业销售维修变频器、郑州 维修、郑州软启动器维修、郑州PLC（可编程序控制器）、 维修电话：0371- 56700815  15515598858