1  引言   （歡迎來電咨詢 網(wǎng)址：http://www.drtubing.com   變頻器維修|電話：15515598858）
    IGBT集功率MOSFET和雙極型功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、通
斷速度快且通態(tài)壓降低，易高壓大電流等特點(diǎn)。
    在IGBT的應(yīng)用中，驅(qū)動(dòng)和保護(hù)一直都是研究的關(guān)鍵技術(shù)，特別是過流保護(hù)方面。IGBT器件本身以及它 在電路中運(yùn)行條件的特點(diǎn)，決定了其過流保護(hù)和其他開關(guān)器件相比有很大的差別。IGBT的過流保護(hù)電路直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能和運(yùn)行安全。
2  IGBT驅(qū)動(dòng)電路 
2.1  IGBT的開關(guān)特性

 由圖1所示IGBT的等效電路和器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，IGBT的開關(guān)控制是通過和MOSFET類似的柵極結(jié)構(gòu)來完成的，因此IGBT和MOSFET的開關(guān)過程大致相似。圖2為IGBT硬開關(guān)時(shí)VGE、ICE和VCE的波型。開通時(shí)，當(dāng)VGE達(dá)到開通門限后，到t2時(shí)間，ICE達(dá)到比較大值，VCE下降過程中，由于和MOSFET一樣的密勒電容CGC的作用，柵極電壓基本恒定，延緩了IGBT的開通過程，當(dāng)VCE下降結(jié)束，ICE達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，CGC作用消失，VGE以較快的上升率達(dá)到比較大值。為了降低此效應(yīng)，應(yīng)該使柵極驅(qū)動(dòng)源的內(nèi)阻足夠小，增加流經(jīng)CGC的電流，加快開通速度。
    關(guān)斷時(shí)，同樣由于密勒電容的效應(yīng)，當(dāng)VCE上升的過程中，VGE有一段近似恒定的時(shí)間，影響關(guān)斷的過程。另外，由于IGBT是雙極性器件，在關(guān)斷過程中有一個(gè)少子復(fù)合過程，造成關(guān)斷時(shí)的拖尾電流，這是IGBT和MOSFET開關(guān)比較大的不同點(diǎn)，如圖2所示，這也是影響IGBT工作頻率的比較主要原因。
2.2 IGBT驅(qū)動(dòng)電路的要求
2.2.1   開通正柵壓   （歡迎來電咨詢 網(wǎng)址：http://www.drtubing.com   變頻器維修|電話：15515598858）
    IGBT靜態(tài)特性曲線所示，IGBT正柵壓VGE越大，導(dǎo)通電阻越低，損耗越小。但是，如果VGE過大，一但I(xiàn)GBT過流，會(huì)造成內(nèi)部寄生晶閘管的靜態(tài)擎柱效應(yīng)，造成IGBT失效。相反如果VGE過小，可能會(huì)使IGBT的工作點(diǎn)落入線性放大區(qū)，比較終導(dǎo)致器件的過熱損壞，比較理想的IGBT驅(qū)動(dòng)電壓范圍是12V。
2.2.2   關(guān)斷柵壓選擇
    IGBT的關(guān)斷過程可能會(huì)承受很大的dv/dt，伴隨關(guān)斷浪涌電流，干擾柵極的關(guān)斷電壓，可能造成器件的誤開通。為提高驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾能力，在關(guān)斷時(shí)柵極加適當(dāng)?shù)呢?fù)偏壓，一般取為-10V。
2.2.3   柵極串聯(lián)電阻Rg的選擇
    從IGBT的開關(guān)特性的分析可以看出，Rg直接影響IGBT的工作情況。為提高開關(guān)頻率，Rg取值應(yīng)該盡量小。但如果Rg取值過小，會(huì)導(dǎo)致柵射極之間的充放電時(shí)間常數(shù)小，開通瞬間電流較大，從而損壞IGBT；而若Rg取值過大，雖然在抑制dv/dt方面很有效果，但增加了IGBT的開關(guān)時(shí)間和開關(guān)損耗，嚴(yán)重影響IGBT的性能和工作狀態(tài)。Rg的取值大概是十幾歐到幾百歐之間，具體的值應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情況選取比較佳值。
3  驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)
3.1  過流保護(hù)
3.1.1   過電流損壞原因
    IGBT內(nèi)部有寄生晶閘管，在規(guī)定漏極電流范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的正偏壓不足以使晶體管導(dǎo)通，當(dāng)漏極電流大到一定程度，正偏壓足以使晶體管導(dǎo)通，近而使寄生晶閘管開通，柵極失去控制，發(fā)生擎柱效應(yīng)。此時(shí)關(guān)斷無效，集電極電流很大致使IGBT損壞。當(dāng)電流還未達(dá)到擎柱效應(yīng)所需電流大小時(shí)，如果IGBT運(yùn)行指標(biāo)超過SOA所限定的電流安全邊界，也就工作在了過流狀態(tài)下，長(zhǎng)時(shí)間過流運(yùn)行造成很高的功耗，損壞器件。當(dāng)比較嚴(yán)重的過流情況，短路發(fā)生時(shí)，電流很快達(dá)到額定電流的4-5倍，此時(shí)必須盡快關(guān)斷器件，否則器件將很快損壞。  （歡迎來電咨詢 網(wǎng)址：http://www.drtubing.com   變頻器維修|電話：15515598858）
3.1.3 過電流的處理
    根據(jù)IGBT的靜態(tài)特性，當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，VCE會(huì)隨電流急劇變大，可以通過檢測(cè)VCE的大小來判斷是否過流。當(dāng)檢測(cè)到過流發(fā)生時(shí)，首先采取降柵壓措施，從圖3的靜態(tài)特性曲線可知，柵壓降低以后，電流顯著減小。這樣一方面可以保護(hù)器件，另一方面如果確定是短路需要關(guān)閉器件時(shí)，不用在相當(dāng)大電流的基礎(chǔ)上執(zhí)行關(guān)斷，反而引入di/dt的問題。當(dāng)降柵壓運(yùn)行一段時(shí)間后（一般是10 ），如果電流恢復(fù)正常，可以再加上正常的柵壓。這樣可以有效避免假過流造成的誤保護(hù)。但如果電流仍然處于過流的狀態(tài)，可以判斷是短路故障，應(yīng)該馬上對(duì)IGBT進(jìn)行關(guān)斷。此時(shí)絕對(duì)不能快速關(guān)斷，因?yàn)槎搪窌r(shí)電流非常大，直接關(guān)斷會(huì)在線路寄生電感上產(chǎn)生很大的電

壓，進(jìn)而損壞器件。此時(shí)應(yīng)該保證電流變化率不會(huì)過大，讓柵極電壓緩慢降低關(guān)斷器件。
3.2  柵極過壓的保護(hù)
3.2.1 柵極過壓原因
    IGBT大多是工作于感性負(fù)載狀態(tài)，當(dāng)其處于關(guān)斷狀態(tài)，而反并二極管正在反向恢復(fù)過程時(shí)，就會(huì)有很大的dv/dt加
于CE兩端。由于密勒電容的存在，該dv/dt將在電容上產(chǎn)生瞬間電流，流向柵極驅(qū)動(dòng)電路。該電流與Rg作用，如果Rg值偏大，使Vge超過IGBT開通門限電壓值，器件就會(huì)被誤觸發(fā)導(dǎo)通。
3.3.2 柵極過壓的處理
    在柵射間并接入一個(gè)柵射電阻可以解決這個(gè)問題。另外，為了防止柵極驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)高壓尖峰，我們?cè)跂派溟g并接兩只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值與正柵壓和負(fù)柵壓相同。這樣可以保證柵射電壓的穩(wěn)定，并且能有效地將密勒電容產(chǎn)生的電流通過柵射電阻釋放，達(dá)到柵極過壓保護(hù)的目的。
4  電路設(shè)計(jì)
4.1 電路說明
  
                         
    驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，整個(gè)驅(qū)動(dòng)端電路采用6N137光耦隔離，單電源供電，通過一個(gè)5V的穩(wěn)壓管D5完成0V和-5V之間的轉(zhuǎn)換，用一個(gè)電源實(shí)現(xiàn)了正負(fù)電源的功能。D6、D7、R2構(gòu)成柵極過壓保護(hù)電路。重要的元件如圖中編號(hào)所示。D3、D4是快恢二極管，D1、D2是穩(wěn)壓值不同的齊納穩(wěn)壓管。
4.1.1   正常工作時(shí)
    驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過光耦送入驅(qū)動(dòng)電路，通過RS觸發(fā)器的置位引腳啟動(dòng)電路。開通時(shí)，兩個(gè)過流保護(hù)的延時(shí)電路電容C1、C2開始充電，此時(shí)推挽電路也將Vg提高到正柵壓，IGBT導(dǎo)通，VCE很快下降為導(dǎo)通壓降，當(dāng)C1、C2電壓高于VCE時(shí)，D3、D4導(dǎo)通，C1、C2電壓被鉗位，不再上升，也就不會(huì)將D1、D2擊穿，電路正常工作。關(guān)斷時(shí)， C3已經(jīng)被充電，與C3串聯(lián)的二極管截止，推挽電路輸出低電平，由于D5的原因，柵壓變?yōu)?5V，將IGBT關(guān)斷。
    正常工作時(shí)比較重要的是C1、C2及其充電電阻的選擇，時(shí)間常數(shù)不能太小，否則會(huì)在IGBT開通前將D1、D2擊穿進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)。也不能過大，否則在過流時(shí)會(huì)因?yàn)閯?dòng)作時(shí)間過長(zhǎng)而損壞器件。
4.1.2   過流降柵壓運(yùn)行
    一但I(xiàn)GBT過流，VCE急劇上升，超過了C1、C2的鉗位電壓，D3、D4反向阻斷，C1、C2開始充電，當(dāng)C1的電壓高于了D1的擊穿電壓（D1擊穿電壓低于D2）時(shí)，D1反向擊穿，T1導(dǎo)通，與T1串聯(lián)的穩(wěn)壓管投入電路工作，將此時(shí)的柵壓降低，實(shí)現(xiàn)降壓運(yùn)行。
4.1.3   短路緩慢關(guān)斷
    控制C2電壓上升和D2的擊穿電壓之間的關(guān)系，調(diào)整D1、D2相繼擊穿的時(shí)間差約為10 ，如果10 內(nèi)電流恢復(fù)正常，那VCE會(huì)再降低，D3又導(dǎo)通，C1、C2電壓鉗位到低電平?；謴?fù)正常工作。而如果是短路發(fā)生，C2的電壓會(huì)持續(xù)上升，直至擊穿D2，導(dǎo)通T2，C3馬上通過R1和T2放電，柵壓開始緩慢降低，降低的速率由C3和R1的時(shí)間常數(shù)決定，當(dāng)C3的電壓降低到低電平時(shí)，改變RS觸發(fā)器狀態(tài)，將6N137封鎖，輸出低電平，完全關(guān)斷IGBT，從而實(shí)現(xiàn)了短路時(shí)柵極電壓的緩慢降低，緩慢關(guān)斷了IGBT。
    這個(gè)過程中比較關(guān)鍵是兩個(gè)保護(hù)電路的延時(shí)電路參數(shù)的選取。具體IGBT的保護(hù)時(shí)間設(shè)置有很多選擇，可以改變電阻電容的組合，也可以改變穩(wěn)壓管的擊穿電壓，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)艿玫胶芎玫男Ч?，以滿足不同IGBT使用的需要。  （歡迎來電咨詢 網(wǎng)址：http://www.drtubing.com   變頻器維修|電話：15515598858）
4.2  短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)
                           
                          

    試驗(yàn)電路如圖5所示，先將電容充電，然后啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路，可以觀察短路保護(hù)時(shí)的波型如圖6所示。其中1是柵極電壓波型，2是VCE波型，3、4分別是RS觸發(fā)器兩個(gè)輸出的波型。
    從圖中可見，向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后，RS觸發(fā)器輸出反向，柵極電壓上升到開通電壓，而VCE由于電容通過IGBT放電，電壓猛降，此時(shí)，IGBT中流過的電流相當(dāng)大，處于過流的狀態(tài)，經(jīng)過大概10 的時(shí)間，保護(hù)電路開始作用，IGBT進(jìn)入降壓運(yùn)行階段，從圖中看出，此時(shí)從IGBT流過的電流已經(jīng)明顯減小，從電阻流入的電流已經(jīng)將電容的電壓又補(bǔ)充回去，但此時(shí)的電流仍然很大，故再經(jīng)過大約10 的時(shí)間，電路進(jìn)入關(guān)斷階段，柵極電壓開始以一定的斜率下降，趨勢(shì)很平緩，當(dāng)柵極電壓降到邏輯低的電壓值時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)變化，驅(qū)動(dòng)電路封鎖，如圖，此時(shí)如果要重新開啟電路，需要再給出啟動(dòng)信號(hào)。從短路測(cè)試中可以看出，該電路能夠有效地在過流的時(shí)候完成降壓運(yùn)行和緩慢關(guān)斷的任務(wù)，為IGBT的正常工作提供保障。
5  結(jié)語
    該驅(qū)動(dòng)電路具有隔離驅(qū)動(dòng)，過流保護(hù)，過柵壓保護(hù)等特點(diǎn)。如果希望電路能正常工作，重要元件的參數(shù)需要認(rèn)真選擇，特別是Rg值的選取，在電路上可對(duì)Rg部分進(jìn)行改進(jìn)，利用二極管分別在開通和關(guān)斷時(shí)得到不同Rg值。另外，該驅(qū)動(dòng)電路只能對(duì)過流和柵極過壓起保護(hù)作用，對(duì)VCE的過壓保護(hù)需要在主電路中加入緩沖保護(hù)電路，才能保證器件的可靠工作。
    目前該電路結(jié)合DSP控制芯片在逆變裝置中表現(xiàn)得非常出色，證明
了電路的簡(jiǎn)單、有效，是驅(qū)動(dòng)IGBT的一個(gè)的比較好的選擇。鄭州變頻器  專業(yè)銷售維修變頻器、鄭州直流調(diào)速器維修、鄭州軟啟動(dòng)器維修、鄭州PLC（可編程序控制器）、 維修電話：0371- 56700815  15515598858