IGBT的驱动和过流保护电路的研究
出处:leixiaow 发布于:2009-12-01 14:49:45
摘要:本文首先谈论了IGBT的驱动电路的基本要求和过流保护分析,然后运用IGBT集电极退饱和原理,提供了一个采用分立元件构成的IGBT驱动电路和过流保护电路。仿真和试验结果证明了所设计驱动电路的可行性。
一 引言
绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipo1ar Transistor,IGBT)是MOSFET 与GTR 的 复合器件,因此,它既具有MOSFET 的工作速度快、开关频率高、输入阻抗高、驱动电路简 单、热温度性好的优点,又包含了GTR 的载流量大、阻断电压高等多项优点,是取代GTR 的 理想开关器件[1]。IGBT 目前被广泛使用的具有自关断能力的器件,广泛应用于各类固态电 源中。IGBT 的工作状态直接影响整机的性能,所以合理的驱动电路对整机显得很重要,但 是如果控制不当,它很容易损坏,其中一种就是发生过流而使IGBT 损坏,本文主要研究了 IGBT 的驱动和短路保护问题,就其工作原理进行分析,设计出具有过流保护功能的驱动电 路,并进行了仿真研究。
二 IGBT 的驱动
要求和过流保护分析
1 IGBT 的驱动 IGBT 是电压型控制器件,为了能使IGBT 安全可靠地开通和关断,其驱动电路必须满足 以下的条件: IGBT 的栅电容比VMOSFET 大得多,所以要提高其开关速度,就要有合适的门极正反向偏 置电压和门极串联电阻。
(1)门极电压
任何情况下,开通状态的栅极驱动电压都不能超过参数表给出的限定值(一般为20v), 门极正向偏置电压为15v 土10%,这个值足够令IGBT 饱和导通;使导通损耗减至。 虽然门极电压为零就可使IGBT 处于截止状态,但是为了减小关断时间,提高IGBT 的耐压、 dv/dt 耐量和抗干扰能力,一般在使IGBT 处于阻断状态时,可在门极与源极之间加一个-5 — -15v 的反向电压[2]。
(2)门极串联电阻RG
选择合适的门极串联电阻 RG 对IGBT 的驱动相当重要, RG 对开关损耗的影响见图1[3]。
2 IGBT 的过流保护
IGBT 的过流保护就是当上、下桥臂直通时,电源电压几乎全加在了开关管两端,此时 将产生很大的短路电流,IGBT 饱和压降越小,其电流就会越大,从而损坏器件。当器件发 生过流时,将短路电流及其关断时的I-V 运行轨迹限制在IGBT 的短路安全工作区[5] ,用在 损坏器件之前,将IGBT 关断来避免开关管的损坏。
三 IGBT 的驱动和过流保护电路分析
根据以上的分析,本设计提出了一个具有过流保护功能的光耦隔离的IGBT 驱动电路, 如图2。 图2 中,高速光耦6N137 实现输入输出信号的电气隔离,能够达到很好的电气隔离, 适合高频应用场合。驱动主电路采用推挽输出方式,有效地降低了驱动电路的输出阻抗,提高了驱动能力,使之适合于大功率IGBT 的驱动,过流保护电路运用退集电极饱和原理, 图2 IGBT 驱动和过流保护电路 在发生过流时及时的关断IGBT,其中V1,V3,V4 构成驱动脉冲放大电路,V1 和R5 构成一个 射极跟随器,该射极跟随器提供了一个快速的电流源,减少了功率管的开通和关断时间。
利用集电极退饱和原理,D1、R6、R7 和V2 构成短路信号检测电路,其中D1 采用快速恢复 二极管,为了防止IGBT 关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器 件误导通,在栅源之间并接双向稳压管D3 和D4。G R 是IGBT 的门极串联电阻。 正常工作时: 当控制电路送来高电平信号时,光耦6N137 导通,V1、V2 截止,V3 导通而V4 截止, 该驱动电路向IBGT 提供+15V 的驱动开启电压,使IGBT 开通。 当控制电路送来低电平信号时,光耦6N137 截至,V1、V2 导通。V4 导通而V3 截止, 该驱动电路向IBGT 提供-5V 的电压,使IGBT 关闭。 当过流时: 当电路出现短路故障时,上、下桥直通此时+15V 的电压几乎全加在IGBT 上,产 生很大的电流,此时在短路信号检测电路中V2 截止,A 点的电位取决于D1、R6、R7 和CES v 的分压决定,当主电路正常工作时,且IGBT 导通时,A 点保持低电平,从而低于B 点电位, 所有A1 输出低电平,此时V5 截止,而C 点为高电平,所以正常工作时,输入到光耦6N137 的信号始终和输出保持一致。
当发生过流时,IGBT 集电极退饱和,A 点电位升高,当高于 B 电位(即是所设置的电位)时,即是当电流超过设计定值时,A1 翻转而输出高电平,V5 导通,从而将C 点的电位箝在低电位状态,使与门4081 始终输出低电平,即无论控制电路 送来是高电平或是低电平,输入到光耦6N137 的信号始终都是低电平,从而关断功率管, 从而达到过流保护。直到将电路的故障排除后,重新启动电路。
四:仿真与实验
本设计电路在orCAD 软件的仿真图形如下: 向驱动电路输入,高电平为+15v,低电平为-5v 的方波信号。IGBT 的输出波形如图 3 所在发生过流时及时的关断IGBT,其中V1,V3,V4 构成驱动脉冲放大电路,V1 和R5 构成一个 射极跟随器,该射极跟随器提供了一个快速的电流源,减少了功率管的开通和关断时间。 利用集电极退饱和原理,D1、R6、R7 和V2 构成短路信号检测电路,其中D1 采用快速恢复 二极管,为了防止IGBT 关断时其集电极上的高电压窜入驱动电路。为了防止静电使功率器 件误导通,在栅源之间并接双向稳压管D3 和D4。G R 是IGBT 的门极串联电阻。
正常工作时: 当控制电路送来高电平信号时,光耦6N137 导通,V1、V2 截止,V3 导通而V4 截止, 该驱动电路向IBGT 提供+15V 的驱动开启电压,使IGBT 开通。 当控制电路送来低电平信号时,光耦6N137 截至,V1、V2 导通。V4 导通而V3 截止, 该驱动电路向IBGT 提供-5V 的电压,使IGBT 关闭。
当过流时: 当电路出现短路故障时,上、下桥直通此时+15V 的电压几乎全加在IGBT 上,产 生很大的电流,此时在短路信号检测电路中V2 截止,A 点的电位取决于D1、R6、R7 和CES v 的分压决定,当主电路正常工作时,且IGBT 导通时,A 点保持低电平,从而低于B 点电位, 所有A1 输出低电平,此时V5 截止,而C 点为高电平,所以正常工作时,输入到光耦6N137 的信号始终和输出保持一致。
当发生过流时,IGBT 集电极退饱和,A 点电位升高,当高于 B 电位(即是所设置的电位)时,即是当电流超过设计定值时,A1 翻转而输出高电平,V5 导通,从而将C 点的电位箝在低电位状态,使与门4081 始终输出低电平,即无论控制电路 送来是高电平或是低电平,输入到光耦6N137 的信号始终都是低电平,从而关断功率管, 从而达到过流保护。直到将电路的故障排除后,重新启动电路。
四:仿真与实验
本设计电路在orCAD 软件的仿真图形如下:
向驱动电路输入,高电平为+15v,低电平为-5v 的方波信号。IGBT 的输出波形如图3 所示:
根据前面的原理和分析,该电路的实际电路输出波形如图4 所示:
五:结论:
(1)该驱动电路能够为IGBT 提供+15v 和-5V 驱动电压确保IGBT 的开通和关断。
(2)具有过流保护功能,当过流时,保护电路起作用,及时的关断IGBT,防止IGBT 损坏。
(3)本电路的可根据负载的需要动态调节电流,可以有很广的使用范围。
(4)本设计采用分立元件组成驱动电路,降低整个系统的成本。
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