1  引言   （歡迎來電咨詢 網址：http://www.cntjjp.com.cn   變頻器維修|電話：15515598858）
    IGBT集功率MOSFET和雙極型功率晶體管的優點于一體，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通
斷速度快且通態壓降低，易高壓大電流等特點。
    在IGBT的應用中，驅動和保護一直都是研究的關鍵技術，特別是過流保護方面。IGBT器件本身以及它 在電路中運行條件的特點，決定了其過流保護和其他開關器件相比有很大的差別。IGBT的過流保護電路直接關系到整個系統的工作性能和運行安全。
2  IGBT驅動電路 
2.1  IGBT的開關特性

 由圖1所示IGBT的等效電路和器件的內部結構可知，IGBT的開關控制是通過和MOSFET類似的柵極結構來完成的，因此IGBT和MOSFET的開關過程大致相似。圖2為IGBT硬開關時VGE、ICE和VCE的波型。開通時，當VGE達到開通門限后，到t2時間，ICE達到比較大值，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VCE下降結束，ICE達到穩態值，CGC作用消失，VGE以較快的上升率達到比較大值。為了降低此效應，應該使柵極驅動源的內阻足夠小，增加流經CGC的電流，加快開通速度。
    關斷時，同樣由于密勒電容的效應，當VCE上升的過程中，VGE有一段近似恒定的時間，影響關斷的過程。另外，由于IGBT是雙極性器件，在關斷過程中有一個少子復合過程，造成關斷時的拖尾電流，這是IGBT和MOSFET開關比較大的不同點，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驅動電路的要求
2.2.1   開通正柵壓   （歡迎來電咨詢 網址：http://www.cntjjp.com.cn   變頻器維修|電話：15515598858）
    IGBT靜態特性曲線所示，IGBT正柵壓VGE越大，導通電阻越低，損耗越小。但是，如果VGE過大，一但IGBT過流，會造成內部寄生晶閘管的靜態擎柱效應，造成IGBT失效。相反如果VGE過小，可能會使IGBT的工作點落入線性放大區，比較終導致器件的過熱損壞，比較理想的IGBT驅動電壓范圍是12V。
2.2.2   關斷柵壓選擇
    IGBT的關斷過程可能會承受很大的dv/dt，伴隨關斷浪涌電流，干擾柵極的關斷電壓，可能造成器件的誤開通。為提高驅動電路的抗干擾能力，在關斷時柵極加適當的負偏壓，一般取為-10V。
2.2.3   柵極串聯電阻Rg的選擇
    從IGBT的開關特性的分析可以看出，Rg直接影響IGBT的工作情況。為提高開關頻率，Rg取值應該盡量小。但如果Rg取值過小，會導致柵射極之間的充放電時間常數小，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的開關時間和開關損耗，嚴重影響IGBT的性能和工作狀態。Rg的取值大概是十幾歐到幾百歐之間，具體的值應該根據應用的實際情況選取比較佳值。
3  驅動電路的保護
3.1  過流保護
3.1.1   過電流損壞原因
    IGBT內部有寄生晶閘管，在規定漏極電流范圍內，其產生的正偏壓不足以使晶體管導通，當漏極電流大到一定程度，正偏壓足以使晶體管導通，近而使寄生晶閘管開通，柵極失去控制，發生擎柱效應。此時關斷無效，集電極電流很大致使IGBT損壞。當電流還未達到擎柱效應所需電流大小時，如果IGBT運行指標超過SOA所限定的電流安全邊界，也就工作在了過流狀態下，長時間過流運行造成很高的功耗，損壞器件。當比較嚴重的過流情況，短路發生時，電流很快達到額定電流的4-5倍，此時必須盡快關斷器件，否則器件將很快損壞。  （歡迎來電咨詢 網址：http://www.cntjjp.com.cn   變頻器維修|電話：15515598858）
3.1.3 過電流的處理
    根據IGBT的靜態特性，當發生過流時，VCE會隨電流急劇變大，可以通過檢測VCE的大小來判斷是否過流。當檢測到過流發生時，首先采取降柵壓措施，從圖3的靜態特性曲線可知，柵壓降低以后，電流顯著減小。這樣一方面可以保護器件，另一方面如果確定是短路需要關閉器件時，不用在相當大電流的基礎上執行關斷，反而引入di/dt的問題。當降柵壓運行一段時間后（一般是10 ），如果電流恢復正常，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。但如果電流仍然處于過流的狀態，可以判斷是短路故障，應該馬上對IGBT進行關斷。此時絕對不能快速關斷，因為短路時電流非常大，直接關斷會在線路寄生電感上產生很大的電

壓，進而損壞器件。此時應該保證電流變化率不會過大，讓柵極電壓緩慢降低關斷器件。
3.2  柵極過壓的保護
3.2.1 柵極過壓原因
    IGBT大多是工作于感性負載狀態，當其處于關斷狀態，而反并二極管正在反向恢復過程時，就會有很大的dv/dt加
于CE兩端。由于密勒電容的存在，該dv/dt將在電容上產生瞬間電流，流向柵極驅動電路。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，器件就會被誤觸發導通。
3.3.2 柵極過壓的處理
    在柵射間并接入一個柵射電阻可以解決這個問題。另外，為了防止柵極驅動電路出現高壓尖峰，我們在柵射間并接兩只反向串聯的穩壓二極管，其穩壓值與正柵壓和負柵壓相同。這樣可以保證柵射電壓的穩定，并且能有效地將密勒電容產生的電流通過柵射電阻釋放，達到柵極過壓保護的目的。
4  電路設計
4.1 電路說明
  
                         
    驅動電路如圖4所示，整個驅動端電路采用6N137光耦隔離，單電源供電，通過一個5V的穩壓管D5完成0V和-5V之間的轉換，用一個電源實現了正負電源的功能。D6、D7、R2構成柵極過壓保護電路。重要的元件如圖中編號所示。D3、D4是快恢二極管，D1、D2是穩壓值不同的齊納穩壓管。
4.1.1   正常工作時
    驅動信號通過光耦送入驅動電路，通過RS觸發器的置位引腳啟動電路。開通時，兩個過流保護的延時電路電容C1、C2開始充電，此時推挽電路也將Vg提高到正柵壓，IGBT導通，VCE很快下降為導通壓降，當C1、C2電壓高于VCE時，D3、D4導通，C1、C2電壓被鉗位，不再上升，也就不會將D1、D2擊穿，電路正常工作。關斷時， C3已經被充電，與C3串聯的二極管截止，推挽電路輸出低電平，由于D5的原因，柵壓變為-5V，將IGBT關斷。
    正常工作時比較重要的是C1、C2及其充電電阻的選擇，時間常數不能太小，否則會在IGBT開通前將D1、D2擊穿進入過流保護狀態。也不能過大，否則在過流時會因為動作時間過長而損壞器件。
4.1.2   過流降柵壓運行
    一但IGBT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C1的電壓高于了D1的擊穿電壓（D1擊穿電壓低于D2）時，D1反向擊穿，T1導通，與T1串聯的穩壓管投入電路工作，將此時的柵壓降低，實現降壓運行。
4.1.3   短路緩慢關斷
    控制C2電壓上升和D2的擊穿電壓之間的關系，調整D1、D2相繼擊穿的時間差約為10 ，如果10 內電流恢復正常，那VCE會再降低，D3又導通，C1、C2電壓鉗位到低電平。恢復正常工作。而如果是短路發生，C2的電壓會持續上升，直至擊穿D2，導通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的時間常數決定，當C3的電壓降低到低電平時，改變RS觸發器狀態，將6N137封鎖，輸出低電平，完全關斷IGBT，從而實現了短路時柵極電壓的緩慢降低，緩慢關斷了IGBT。
    這個過程中比較關鍵是兩個保護電路的延時電路參數的選取。具體IGBT的保護時間設置有很多選擇，可以改變電阻電容的組合，也可以改變穩壓管的擊穿電壓，通過實驗能得到很好的效果，以滿足不同IGBT使用的需要。  （歡迎來電咨詢 網址：http://www.cntjjp.com.cn   變頻器維修|電話：15515598858）
4.2  短路保護實驗
                           
                          

    試驗電路如圖5所示，先將電容充電，然后啟動驅動電路，可以觀察短路保護時的波型如圖6所示。其中1是柵極電壓波型，2是VCE波型，3、4分別是RS觸發器兩個輸出的波型。
    從圖中可見，向驅動電路發出啟動信號后，RS觸發器輸出反向，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，IGBT中流過的電流相當大，處于過流的狀態，經過大概10 的時間，保護電路開始作用，IGBT進入降壓運行階段，從圖中看出，此時從IGBT流過的電流已經明顯減小，從電阻流入的電流已經將電容的電壓又補充回去，但此時的電流仍然很大，故再經過大約10 的時間，電路進入關斷階段，柵極電壓開始以一定的斜率下降，趨勢很平緩，當柵極電壓降到邏輯低的電壓值時，觸發器狀態變化，驅動電路封鎖，如圖，此時如果要重新開啟電路，需要再給出啟動信號。從短路測試中可以看出，該電路能夠有效地在過流的時候完成降壓運行和緩慢關斷的任務，為IGBT的正常工作提供保障。
5  結語
    該驅動電路具有隔離驅動，過流保護，過柵壓保護等特點。如果希望電路能正常工作，重要元件的參數需要認真選擇，特別是Rg值的選取，在電路上可對Rg部分進行改進，利用二極管分別在開通和關斷時得到不同Rg值。另外，該驅動電路只能對過流和柵極過壓起保護作用，對VCE的過壓保護需要在主電路中加入緩沖保護電路，才能保證器件的可靠工作。
    目前該電路結合DSP控制芯片在逆變裝置中表現得非常出色，證明
了電路的簡單、有效，是驅動IGBT的一個的比較好的選擇。鄭州變頻器  專業銷售維修變頻器、鄭州直流調速器維修、鄭州軟啟動器維修、鄭州PLC（可編程序控制器）、 維修電話：0371- 56700815  15515598858