大功率IGBT驅動過流保護電路研究

2020-12-04 電子產品世界

摘要：針對IGBT驅動過流保護問題，提出了分離元件驅動過流保護電路和模塊驅動過流保護電路.文中給出了分離元件驅動過流保護電路和模塊驅動過流保護電路,並詳細分析了兩者的工作原理，指出了它們之間的優缺點.

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關鍵詞：IGBT；分離元件驅動過流保護電路；模塊驅動過流保護電路

　　IGBT因其飽和壓降低和工作頻率高等優點而成為大功率開關電源等電力電子裝置的首選功率器件，但IGBT和晶閘管一樣，其抗過載能力不高[1-2].因此，如何設計IGBT的驅動過流保護電路，使之具有完善的驅動過流保護功能，是設計者必須考慮的問題.本文從應用角度，歸納、總結了IGBT的驅動過流保護電路的設計方法.

　　1驅動過流保護電路的驅動過流保護原則

　　IGBT的技術資料表明，IGBT在10μS內最大可承受2倍的額定電流，但是經常承受過電流會使器件過早老化[3]，故IGBT的驅動過流保護電路的設計原則為：一、當過電流值小於2倍額定電流值時，可採用瞬時封鎖柵極電壓的方法來實現保護；二、當過電流值大於2倍額定電流值時，由於瞬時封鎖柵極電壓會使di/dt很大，會在主迴路中感應出較高的尖峰電壓，故應採用軟關斷方法使柵極電壓在2μS—5μS的時間內降至零電壓[4]，至最終為-5伏的反電壓；三、採用適當的柵極驅動電壓.基於上述思想，驅動過流保護電路現分為分離元件驅動過流保護電路和模塊驅動過流保護電路.

　　2驅動過流保護電路的設計

　　2.1分離元件驅動過流保護電路

　　以多電源驅動過流保護電路為例，分離元件驅動過流保護電路[5]如圖1.圖1中，T1、T4和T5構成IGBT的驅動電路，DZ1、T3、D2、C4構成延時降壓電路.T6、555集成電路和光耦LP2構成延時電路.在正常開通時，T1和T4導通，由於D1和R6的作用，B點電路不會超過DZ1擊穿電壓，此時T3截止，D點電位不會下降，延時電路不延時，T2截止.當IGBT流過短路電流時，IGBT的集射極壓降上升，此時C點電位上升，上升時間t1由式（1）求得[6].

　　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，為時間常數，單位為秒；VC2為電容C2的初始電壓，單位為伏特.

　　當C點電位上升到DZ1的擊穿電壓時，T3導通，C4放電，D點電位下降，即F點和G點電位下降，IGBT的柵極驅動電壓下降.同時，光耦LP2導通，延時電路開始計時，此計時時間t2由式（2）求得[6].

　　式（2）中，VCC是電源電壓，單位為伏特；V2是555翻轉電平，單位為伏特；τ2=（R14+R15）×C5，為時間常數，單位為秒；VC5為電容C5的初始電壓，單位為伏特.

　　如果過流故障在555計時時間t2內消除，則C點電位下降恢復到原來值，DZ1、T3立即截止，同時C4開始充電，F點和G點電位上升，IGBT的柵極電壓恢復到原來的正常值，IGBT繼續正常工作；如果在555計時時間t2內過流故障還沒有消除，則555輸出高電平，經T7、CD4043和CD4081驅動光耦LP1，使A點電位下降並保持，T1截止，T5導通，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，導致IGBT截止，從而實現延時緩降壓過流保護.其從發生過流故障到徹底關斷IGBT所需的總時間t為

　　t=t1+t2     （3）

　　式（3）中，t、t1和t2的單位都是秒.

　　此外，單電源驅動過流保護電路的原理與上述多電源驅動過流保護電路類似，可參閱文獻[7].

　　還應注意[8]：（1）選擇合適的柵極驅動電壓值；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電阻值，一般選幾歐姆到十幾歐姆；

　　（3）選擇合適的柵射極並聯電阻值或穩壓二極體.

　　從上述分析可知，分離元件驅動過流保護電路複雜，但設計靈活.


　　2.2模塊驅動過流保護電路

　　以EXB841系列為例，模塊驅動過流保護電路[9-10]如圖2.圖2中，9腳為參考地，2腳電位為20V，1腳電位為5V，當14腳、15腳之間加上高電平驅動信號時，EXB841中的互補輸出級中的上管導通，IGBT導通；反之，輸入為低電平時，IGBT關斷.EXB841內部過流保護電路通過檢測IGBT的集射極電壓Vce來判斷IGBT是否過流，其判斷公式為：

　　Vce+V1+VD≥V2    （4）

　　式（4）中，V1為1腳電位；VD為6腳所接二極體D導通壓降；V2為EXB841內部二極體擊穿電壓.如設V1=5V，VD=1V，V2=13V，即Vce=7V時，為過流保護電壓閥值，當Vce＜7V時保護電路不工作，其保護功能為：當過流時降低柵射極驅動電壓，並與慢關斷技術相結合[11].在檢測到短路2μS後，開始降低柵極驅動電壓，10μS內降到OV.在這段時間內，若短路現象消除，柵極驅動電壓恢復到正常值；若故障仍存在，則5腳輸出故障信號，通過一定時間的延遲後，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，同時封鎖輸入信號，這樣避免立即停止輸入信號造成硬關斷，產生過電壓擊穿IGBT.其不足之處為：一、負柵壓過低，降低了IGBT的可靠性；二、沒有過流信號鎖定功能，一旦發生過流故障，並不能在當前工作周期內實現延時保護關斷.

　　另外，IR系列、M579系列和VC37系列模快驅動器的原理與EXB841類似，此處不再贅述，可參閱文獻[12]、[13]、[14]和[15].

　　3結束語

　　以上介紹了幾種IGBT驅動過流保護電路.分離元件驅動過流保護電路複雜，但設計靈活、保護功面，模塊驅動過流保護電路使電路的設計簡化並具備了一定的保護功能，但這些保護功能是有限的，用時，還要考慮擴展其功能.至於實際應用中採用哪一種方法，應視實際情況而言.

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