IGBT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I(xiàn)GBT和晶閘管一樣，其抗過(guò)載能力不高〔1-2〕。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)早老化〔3〕，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)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)降至零電壓〔4〕，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
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〔5〕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)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，上升時(shí)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(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的柵極驅(qū)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〔6〕。
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)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)電路類似，可參閱文獻(xiàn)〔7〕。
還應(yīng)注意〔8〕：（1）選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)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(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。
2、2 模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路
以EXB841系列為例，模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)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(dāng)14腳、15腳之間加上高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，EXB841中的互補(bǔ)輸出級(jí)中的上管導(dǎo)通，IGBT導(dǎo)通；反之，輸入為低電平時(shí)，IGBT關(guān)斷。EXB841內(nèi)部過(guò)流保護(hù)電路通過(guò)檢測(cè)IGBT的集射極電壓Vce來(lái)判斷IGBT是否過(guò)流，其判斷公式為：
Vce+V1+VD≥V2（4）
式（4）中，V1為1腳電位；VD為6腳所接二極管D導(dǎo)通壓降；V2為EXB841內(nèi)部二極管擊穿電壓。如設(shè)V1=5V，VD=1V，V2=13V，即Vce=7V時(shí)，為過(guò)流保護(hù)電壓閥值，當(dāng)Vce＜7V時(shí)保護(hù)電路不工作，其保護(hù)功能為：當(dāng)過(guò)流時(shí)降低柵射極驅(qū)動(dòng)電壓，并與慢關(guān)斷技術(shù)相結(jié)合〔11〕。在檢測(cè)到短路2μS后，開(kāi)始降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，10μS內(nèi)降到OV。在這段時(shí)間內(nèi)，若短路現(xiàn)象消除，柵極驅(qū)動(dòng)電壓恢復(fù)到正常值；若故障仍存在，則5腳輸出故障信號(hào)，通過(guò)一定時(shí)間的延遲后，IGBT的柵射極電壓最終為-5伏，同時(shí)封鎖輸入信號(hào)，這樣避免立即停止輸入信號(hào)造成硬關(guān)斷，產(chǎn)生過(guò)電壓擊穿IGBT。其不足之處為：一、負(fù)柵壓過(guò)低，降低了IGBT的可靠性；二、沒(méi)有過(guò)流信號(hào)鎖定功能，一旦發(fā)生過(guò)流故障，并不能在當(dāng)前工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)延時(shí)保護(hù)關(guān)斷。
另外，IR系列、M579系列和VC37系列模快驅(qū)動(dòng)器的原理與EXB841類似，此處不再贅述，可參閱文獻(xiàn)〔12〕、〔13〕、〔14〕和〔15〕。
3、結(jié)束語(yǔ)
以上介紹了幾種IGBT驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路。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、保護(hù)功面，模塊驅(qū)動(dòng)過(guò)流保護(hù)電路使電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化并具備了一定的保護(hù)功能，但這些保護(hù)功能是有限的，用時(shí)，還要考慮擴(kuò)展其功能。至于實(shí)際應(yīng)用中采用哪一種方法，應(yīng)視實(shí)際情況而言。
