大功率IGBT驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路研究

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1、2005年9月襄樊學(xué)院學(xué)報(bào)Sept.,2005第26卷第5期JournalofXiangfanUniversityVol.26No.5大功率IGBT驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路研究蔡兵，王培元（襄樊學(xué)院物理學(xué)系，湖北襄樊441053）摘要：針對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)問(wèn)題，提出了分離元件驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路.文中給出了分離元件驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路,并詳細(xì)分析了兩者的工作原理，指出了它們之間的優(yōu)缺點(diǎn).關(guān)鍵詞：IGBT；分離元件驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路；模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路+中圖分類(lèi)號(hào):TP273.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1009-2854(2005)05-0

2、060-03IGBT因其飽和壓降低和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)而成為大功率開(kāi)關(guān)電源等電力電子裝置的首選功率器件，但[1-2]IGBT和晶閘管一樣，其抗過(guò)載能力不高.因此，如何設(shè)計(jì)IGBT的驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路，使之具有完善的驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)功能，是設(shè)計(jì)者必須考慮的問(wèn)題.本文從應(yīng)用角度，歸納、總結(jié)了IGBT的驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法.1驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路的驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)原則IGBT的技術(shù)資料表明，IGBT在10μS內(nèi)最大可承受2倍的額定電流，但是經(jīng)常承受過(guò)電流會(huì)使器件過(guò)[3]早老化，故IGBT的驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)原則為：一、當(dāng)過(guò)電流值小于2倍額定電流值時(shí)，可采用瞬時(shí)封鎖柵極電壓的方法來(lái)實(shí)

3、現(xiàn)保護(hù)；二、當(dāng)過(guò)電流值大于2倍額定電流值時(shí)，由于瞬時(shí)封鎖柵極電壓會(huì)使di/dt很大，會(huì)在主回路中感應(yīng)出較高的尖峰電壓，故應(yīng)采用軟關(guān)斷方法使柵極電壓在2μS—5μS的時(shí)間內(nèi)降至[4]零電壓，至最終為-5伏的反電壓；三、采用適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)電壓.基于上述思想，驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路現(xiàn)分為分離元件驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路和模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路.2驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)2.1分離元件驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路[5]以多電源驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路為例，分離元件驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路如圖1.圖1中，T1、T4和T5構(gòu)成IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，DZ1、T3、D2、C4構(gòu)成延時(shí)降壓電路.T6、555集成電路和光耦LP2構(gòu)成延時(shí)

4、電路.在正常開(kāi)通時(shí)，T1和T4導(dǎo)通，由于D1和R6的作用，B點(diǎn)電路不會(huì)超過(guò)DZ1擊穿電壓，此時(shí)T3截止，D點(diǎn)電位不會(huì)下降，延時(shí)電路不延時(shí)，T2截止.當(dāng)IGBT流過(guò)短路電流時(shí)，IGBT的集射極壓降上升，此時(shí)C點(diǎn)電位上升，[6]上升時(shí)間t1由式（1）求得.?(t1)V=V+(V?V)eτ1（1）1CCC2CC式（1）中，VCC是電源電壓，單位為伏特；V1是DZ1擊穿電壓，單位為伏特；τ2=R2×C2，為時(shí)間常數(shù)，單位為秒；VC2為電容C2的初始電壓，單位為伏特.當(dāng)C點(diǎn)電位上升到DZ1的擊穿電壓時(shí)，T3導(dǎo)通，C4放電，D點(diǎn)電位下降，即F點(diǎn)和G點(diǎn)電位下降，IGBT[6]的柵極驅(qū)

5、動(dòng)電壓下降.同時(shí)，光耦LP2導(dǎo)通，延時(shí)電路開(kāi)始計(jì)時(shí)，此計(jì)時(shí)時(shí)間t2由式（2）求得.?(t2)V=V+(V?V)eτ2（2）2CCC5CC收稿日期:2005-05-10作者簡(jiǎn)介:蔡兵(1964-),男,湖北鐘祥人,襄樊學(xué)院物理學(xué)系副教授，主要研究方向:計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù).第26卷第5期襄樊學(xué)院學(xué)報(bào)2005年第5期式（2）中，VCC是電源電壓，單位為伏特；V2是555翻轉(zhuǎn)電平，單位為伏特；τ2=（R14+R15）×C5，為時(shí)間常數(shù)，單位為秒；VC5為電容C5的初始電壓，單位為伏特.如果過(guò)流故障在555計(jì)時(shí)時(shí)間t2內(nèi)消除，則C點(diǎn)電位下降恢復(fù)到原來(lái)值，DZ1、T3立即截止，同時(shí)

6、C4開(kāi)始充電，F(xiàn)點(diǎn)和G點(diǎn)電位上升，IGBT的柵極電壓恢復(fù)到原來(lái)的正常值，IGBT繼續(xù)正常工作；如果在555計(jì)時(shí)時(shí)間t2內(nèi)過(guò)流故障還沒(méi)有消除，則555輸出高電平，經(jīng)T7、CD4043和CD4081驅(qū)動(dòng)光耦LP1，使A點(diǎn)電位下降并保持，T1截止，T5導(dǎo)通，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，導(dǎo)致IGBT截止，從而實(shí)現(xiàn)延時(shí)緩降壓過(guò)流保護(hù).其從發(fā)生過(guò)流故障到徹底關(guān)斷IGBT所需的總時(shí)間t為t=t1+t2（3）式（3）中，t、t1和t2的單位都是秒.此外，單電源驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路的原理與上述多電源驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路類(lèi)似，可參閱文獻(xiàn)[7].[8]還應(yīng)注意：（1）選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電壓值；

7、正電壓值一般在12V—15V為宜，12V最佳，反向電壓一般在5V—10V；（2）選擇合適的柵極串聯(lián)電阻值，一般選幾歐姆到十幾歐姆；（3）選擇合適的柵射極并聯(lián)電阻值或穩(wěn)壓二極管.從上述分析可知，分離元件驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路復(fù)雜，但設(shè)計(jì)靈活.R6D1+15VT4R1R2T1R5R7R9R10R11IGBTFGAR4DZ1T3R8BCD2R3DET50VC2C3R21C4DZ2-5VC1T2R19C7+15VR14R13R12R18R165554043C8R15LP1R20T7C5T6R17LP2C64081圖1分離元件驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路圖2.2模塊